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Engineering

En une seule étape approche de manufacture des canaux microfluidiques polydiméthylsiloxane de différentes Sections géométriques par des procédés de gravure humide séquentiel

Published: September 13, 2018 doi: 10.3791/57868
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1,3
1Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, 2Department of Civil Engineering, Tamkang University, 3College of Engineering, Chang Gung University

Summary

Il existe plusieurs méthodes pour la fabrication des chaînes des sections non rectangulaire, enfouis dans des dispositifs microfluidiques polydiméthylsiloxane. La plupart d'entre eux comprendre plusieurs étapes fabrication et vaste alignement. Dans cet article, une approche en une seule étape est signalée pour fabriquer des canaux microfluidiques de différentes coupes géométriques de polydiméthylsiloxane séquentielle gravure humide.

Abstract

Matériaux de polydiméthylsiloxane (PDMS) sont exploitées essentiellement pour fabriquer des dispositifs microfluidiques à l’aide de techniques de moulage de réplique Lithographie douce. Schémas de configuration de canal personnalisés sont nécessaires pour des fonctions spécifiques et intégrée sur le rendement des dispositifs microfluidiques dans de nombreuses applications biomédicales et chimiques (par exemple, la culture cellulaire, biodétection, synthèse chimique et manipulation de liquide). En raison de la nature des approches à l’aide de plaquettes de silicium avec des couches de résine photosensible modelés par photolithographie comme maîtres moules de moulage, les canaux microfluidiques ont généralement des coupes régulières de formes rectangulaires avec des hauteurs identiques. En général, canaux avec plusieurs hauteurs ou différentes sections géométriques sont conçus pour possèdent des fonctions particulières et d’effectuer dans diverses applications de microfluidique (par exemple, hydrophoresis est utilisé pour le tri des particules et en flux continus pour séparer les globules6,7,8,,9). Par conséquent, un effort important a été déposée dans la construction de canaux avec différentes sections à travers plusieurs étapes des approches comme la photolithographie à l’aide de plusieurs couches de résine photosensible et l’assemblage de différents PDMS minces feuilles. Néanmoins, de telles approches plusieurs étapes impliquent généralement toute procédure fastidieuse et vaste instrumentation. En outre, les dispositifs fabriqués ne peuvent pas exécuter régulièrement et les données expérimentales ont entraîné peuvent être imprévisibles. Ici, une approche en une seule étape est développée pour la fabrication directe des canaux microfluidiques avec différentes coupes géométriques au moyen de procédés de gravure humide séquentielle de PDMS, qui introduit le mordançage dans circuits prévus monocouche mises en incorporés dans les matériaux PDMS. Par rapport aux méthodes actuelles de fabrication des canaux microfluidiques PDMS géométries différentes, l’approche développée en une seule étape peut considérablement simplifier le processus pour fabriquer des canaux avec des sections non rectangulaire ou de différentes hauteurs. Par conséquent, la technique est un moyen de construire des canaux microfluidiques complexes, qui fournit une solution de fabrication pour la promotion de systèmes microfluidiques innovantes.

Introduction

Techniques microfluidiques ont attiré l’attention ces dernières décennies en raison de leurs avantages intrinsèques pour une variété d’applications et de la recherche biomédicale et chimique. Plusieurs options d’utilisation de matériaux pour la construction de puces microfluidiques sont disponibles de nos jours, par exemple, polymères, céramiques et matériaux de silicium. Au meilleur de notre connaissance, parmi les matières de la microfluidique, PDMS est le plus commun en raison de ses propriétés matérielles appropriées pour divers dispositifs microfluidiques recherche et applications, y compris ses compatibilités optiques et biologiques avec des particules, fluides et les organismes vivants extrêmement faible1,2,3,4,5. En outre, les propriétés mécaniques surfaces chimique et la structure des matériaux PDMS peuvent être ajustées pour faciliter les études microélectromécaniques et mechanobiological en appliquant ces de dispositifs microfluidiques à base de polymères10, 11,,12. En ce qui concerne la fabrication des dispositifs microfluidiques avec les modèles de canaux conçu, méthodes de moulage réplique Lithographie douce sont généralement appliqués pour créer des canaux microfluidiques en utilisant leurs moules maîtres correspondants qui sont composées de couches de résine photosensible photolithographie à motifs et de substrats silicon wafer12. En raison de la nature des approches à l’aide de plaquettes de silicium avec des couches de résine photosensible à motifs de moulage, les canaux microfluidiques ont généralement des coupes régulières de formes rectangulaires avec des hauteurs identiques.

Récemment, les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans des études biomédicales qui traitent, par exemple, les particules et les cellules à l’aide de hydrophoresis, qui sépare le plasma sanguin et enrichir les globules blancs en appliquant des puces microfluidiques avec chaînes de tri différentes hauteurs ou géométriques sections6,7,8,9. Ces tri et séparation des fonctions de microfluidique pour applications biomédicales sont réalisées en personnalisant les canaux avec différentes sections géométriques. Plusieurs études ont été consacrées à la fabrication des canaux microfluidiques avec des coupes transversales caractéristiques différentes géométries de fabrication moules maîtres avec des profils de surface spécifiques de différentes hauteurs ou coupes non rectangulaire. Ces études sur la fabrication de moule comprennent des techniques telles que la photolithographie multi-étapes, photoresist refusion et Lithographie gris13,14,15. Inévitablement, les techniques actuelles impliquent photomasks finement ouvragé ou un alignement précis dans les procédés de fabrication de plusieurs étapes qui peuvent améliorer considérablement les niveaux de complexité de la fabrication correspondante des canaux microfluidiques. Jusqu'à présent, plusieurs tentatives ont été faites sur les techniques de fabrication de la seule étape pour canaux microfluidiques de différentes sections, mais les techniques respectives sont très limitées à des formes spécifiques et transversales des canaux16.

Pendant les deux dernières décennies, en plus des approches de moulage pour la fabrication de PDMS, canaux microfluidiques avec différentes sections, techniques de structuration des canaux PDMS avec des caractéristiques géométriques de gravure sont devenus la fabrication de choix dans une variété de applications de la microfluidique. Par exemple, gravure humide PDMS est exploitée avec le PDMS multicouche de liaison pour la construction d’un dispositif de culture cellulaire a actionnement pneumatique de microfluidique avec reconstitué au niveau de l’organe poumon fonctions17. Le PDMS mouillé gravure technique est employé avec coulée de PDMS sur puits cylindriques usinés par des systèmes de contrôle assisté par ordinateur de fabrication 3D PDMS micro aiguille tableaux18. Gravure sèche PDMS est utilisée pour faire des microstructures PDMS comme pièces d’actionneurs électromécaniques micro19,20. Membranes poreuses de PDMS avec des présentations de pore conçus sont également fabriqués par le biais de procédés de gravure sèche21. Fois le mouillé et les techniques de gravure sèche peuvent être intégrés dans les films PDMS avec des formes géométriques désigné22le patterning.

Cependant, les techniques de gravure pour la formation de PDMS canal des structures complexe section formes n’ont pas été couramment appliquées à cause de leurs limitations intrinsèques sur fabrication microfluidiques. Tout d’abord, tandis que les techniques de gravure humide PDMS utilisant des écoulements laminaires de produits chimiques pour créer des canaux microfluidiques des diverses sections ont été établies, la formation de section canal ultérieure est encore limitée en raison des caractéristiques de base 23les processus de gravure chimique isotrope. En outre, même si il semble y avoir un espace raisonnable pour contrôler les géométries de section de canal dans une fabrication de microfluidique utilisant le PDMS sec gravure techniques20, le temps requis de la gravure est généralement trop long (en termes d’heures) pour être pratique pour la fabrication de puces microfluidiques. En outre, la sélectivité de la gravure entre matériaux PDMS et le masquage correspondant des couches de résine photosensible peuvent être faibles en général, et les profondeurs gravés a entraîné pour les canaux sont donc pas acceptables20.

Dans cet article, nous développons une approche en une seule étape pour fabriquer des canaux microfluidiques de différentes coupes géométriques par des procédés de gravure humide séquentielle de PDMS (ci-après dénommés SWEP). La SWEP commencent par un dispositif microfluidique PDMS avec chaînes simple couche. Avec divers schémas de configuration des canaux, canaux microfluidiques avec différentes sections géométriques de divers genres de fabrication est possible au moyen de procédés de gravure séquentielle. La gravure séquentielle doit seulement un mordançage destinés à être introduits dans des canaux spécifiques des dispositions prévues monocouche incorporées dans les matériaux PDMS. Par rapport aux procédés de fabrication de PDMS conventionnels, la SWEP nécessitent juste un pas de plus pour fabriquer des canaux microfluidiques des sections non rectangulaire ou à différentes hauteurs. Le projet SWEP offrent un moyen simple et direct de fabrication des canaux microfluidiques avec différentes sections le long de la direction du flux, qui peut considérablement simplifier les processus dans les méthodes susmentionnées.

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Protocol

1. fabrication des dispositifs microfluidiques avec des présentations de canal simple couche

NOTE : Dans cet article, la lithographie douce méthode3 est adopté pour la fabrication des dispositifs microfluidiques en matières PDMS, pour montrer comment fabriquer des canaux avec différentes sections.

  1. Création de moules maîtres pour une couche PDMS avec des caractéristiques de conception de topologie
    1. Mises en page de canal sur une couche PDMS pour un seul processus de gravure ou de la gravure au design à la séquence.
    2. Esquissez les caractéristiques inversé de topologie de la couche PDMS conçue à l’aide d’un logiciel de dessin assisté par ordinateur.
    3. Remettre le fichier esquisse à une installation de photolithographie pour obtenir un motif photomasque avec les caractéristiques de haute précision topologie inversé des schémas canal imprimés sur une transparence24.
    4. Utiliser de l’alcool isopropylique (Propanol-2 (IPA), ≥ 99,9 %), l’acétone (Propan-2-one, ≥ 99,5 %) et l’oxyde tamponné etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) sur la surface d’une plaquette de silicium de 4 pouces pour enlever toute poussière ou les résidus et éviter les contaminations.
    5. Utilisez environ 500 mL d’eau désionisée pour laver la plaquette de silicium pour un polissage final et appliquez ensuite secher la gaufrette rincée l’azote gazeux.
    6. Placez une photorésine ton négatif d’environ 20 g sur la tranche. Puis essorage enrober la gaufrette à 500 tr/min pendant 15 s et 2 000 tr/min pendant 30 s pour produire une couche de résine photosensible d’environ 75 µm d’épaisseur.
      NOTE : Photorésine différentes épaisseurs peuvent être réalisés à l’aide de résines photosensibles ton négatif avec numéros de produit différent et avec enduction centrifuge différentes, de cuisson et les conditions de développement, selon l’utilisateur manuels25,26.
    7. Cuire au four doux la plaquette en le chauffant sur une plaque chauffante à 65 ° C pendant 3 min, puis à 95 ° C pendant 9 min.
    8. Mettre la plaquette dans une machine d’aligneur de photomask ainsi que la transparence des motifs de l’étape 1.1.3 comme un masque.
    9. Dans la machine aligneur, appliquez la lumière ultraviolette (UV) à 300 mJ/cm2 pour exposer la gaufrette couverte par la transparence.
    10. Après exposition à la lumière UV, placer la galette sur une plaque chauffante à 65 ° C pendant 2 min, puis à 95 ° C pendant 7 min comme mode de cuisson après l’exposition (PEB).
    11. Suite à la fissure, fortement agiter la gaufrette immergée dans un développeur de photorésine ton négatif, ou placer la plaquette immergée dans un bain à ultrasons (37 kHz, puissance de 180 W) pendant 7 min.
    12. Nettoyer l’hostie entière avec l’alcool isopropylique à éliminer n’importe quel développeur reste sur la surface de gaufrette.
    13. Pour empêcher indésirés bonding, silaniser la surface de la plaquette en mettant la plaquette avec 100 µL de 97 % au silane (1H, 1H, 2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) dans une boîte de Pétri dans un dessiccateur de 6 cm.
    14. Connectez le dessiccateur à une pompe à vide et la pression de vide à 760 mmHg.
    15. Ensuite, allumer la pompe pendant 15 min. interrupteur il s’éteint et puis laisser la gaufrette au repos dans un vide dans le dessiccateur pendant 30 min.
      ATTENTION : Le silane évaporé est extrêmement nocif pour les humains ; ainsi, la passivation de surface de la plaquette entière doit effectuer dans une hotte de laboratoire.
    16. Aller chercher la gaufrette silanisée, qui subissait la passivation de surface. Fixer la plaquette dans un 15 cm boîte de Pétri pour une utilisation ultérieure.
      Remarque : La plaquette à motifs est prête à être utilisé comme un moule pour répliquer les mises en page canal conçu inversement par matériaux PDMS.
  2. Fabrication de maquettes canal PDMS en reproduisant la topologie inversée sur les moules
    1. Mettre la base PDMS (monomère) ainsi que le catalyseur correspondant (agent de polymérisation) dans un rapport de volume de 10:1 dans un gobelet en plastique propre et non réutilisables.
    2. Mélanger le mélange prépolymère de PDMS (de l’étape 1.2.1) homogène à l’aide d’un agitateur électrique.
    3. Placez le flacon dans le dessiccateur relié à la pompe à vide pendant 60 min pour enlever les bulles piégées dans le mélange PDMS.
    4. Verser 20 g (pour la Section 2) ou 8 g (pour la Section 3) du mélange sur le dessus le moule principal (effectuée à l’étape 1.1) avec les caractéristiques de topologie inversé des schémas conçus canal prépolymère PDMS et puis d’éliminer toutes les bulles possibles intégrées dans le matériel PDMS en utilisant t dessiccateur de HE (pour 60 min).
    5. Mettre le moule transportant le mélange PDMS dans une étuve à 60 ° C pendant 4 h guérir les matériaux prépolymère liquides à base de silicone.
    6. Après refroidissement la plaquette avec le PDMS à température ambiante pendant environ 20 min, détacher le PDMS guéri du moule avec un bistouri et pince à épiler.
    7. Adapter la couche PDMS jumelée à un revêtement de surface (environ 6 x 6 cm2 , sections 2 ou 2 x 7, 5 cm2 pour la Section 3) les dispositions de la totalité du canal à l’aide d’un scalpel.
    8. Créer des ports d’accès channel (entrées et sorties) à l’aide d’un poinçon de biopsie de 1,5 mm de diamètre.
      NOTE : Les numéros et les positions des entrées et sorties sont conçues basés sur les processus de gravure pour fabriquer des canaux microfluidiques spécifiques.
    9. Verser 30 g du mélange prépolymère PDMS dans une boîte de Pétri et puis d’éliminer toutes les bulles possibles intégrées dans le matériel PDMS en utilisant le dessiccateur (pour 60 min).
    10. Mettre la boîte de Pétri transportant le mélange PDMS dans une étuve à 60 ° C pendant plus de 4 h guérir les matériaux prépolymère liquides.
    11. Après refroidissement de la boîte de Pétri avec le PDMS à température ambiante pendant environ 20 min, détacher le PDMS guéri du plat avec un bistouri et pince à épiler.
    12. À l’aide d’un scalpel, adapter la couche PDMS détachée sans toutes les fonctionnalités de dimensions égales à celles de la couche PDMS susmentionnée (environ 6 x 6 cm2 , sections 2 ou 2 x 7, 5 cm2 pour la Section 3).
    13. Activer les surfaces des deux couches PDMS (fabriqués en étapes 1.2.7 et 1.2.12) avec les mises en page canal conçu et sans aucune caractéristique en exposant les matériaux PDMS à plasma d’oxygène dans une machine de traitement de surface à 90 W pour 40 s.
    14. Bond les 2 PDMS couches en faisant contact entre leurs surfaces traitées tout de suite après l’activation de surface plasma d’oxygène. Ensuite, laisser les couches PDMS servile dans une étuve à 60 ° C pendant plus de 30 min.
      Remarque : Il n’y a aucune limite de temps supérieure pour laisser les couches PDMS servile dans le four.
    15. Après avoir collé les 2 couches PDMS ont refroidi, couper les matériaux PDMS excessives de l’appareil fabriqué pour un montage plus tard de l’expérience.

2. l’approche une étape à la fabrication des canaux microfluidiques PDMS de différentes Sections

Remarque : Afin de caractériser le PDMS humide taux de gravure, un dispositif microfluidique avec un canal simple couche et droit de formes rectangulaires est suggéré à être exploités pour déterminer le taux de gravure spécifique correspondant à certains paramètres expérimentaux.

  1. Caractérisation expérimentale du PDMS humides de mordançage
    1. Préparer une solution de mordançage en mélangeant fluorure de tétra-n-butylammonium (TBAF, une solution de 1 M dans le tétrahydrofurane (THF)) avec la 1-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) à un taux de v : v = 01:10.
      NOTE : NMP est capable de dissoudre efficacement les résidus chimiques induites par les agents de gravure pour. En général, les matériaux PDMS sont légèrement gonflées par le NMP, et les dispositifs microfluidiques PDMS sont encore en mesure de préserver leurs formes, volumes et sceller les conditions.
    2. Dessiner les agents de gravure mixte TBAF/NMP pour une seringue de 10 mL relié à une aiguille émoussée en acier inoxydable (16 G).
    3. Mettre en place un pousse-seringue en tant que contrôleur des fluides par la pression dans les canaux.
    4. Connecter les aiguilles émoussées des seringues remplies de la solution de gel de mordançage à l’orifice du canal de l’appareil simple précitées et guider le port respectif de la sortie du tube pour un conteneur à déchets, tel qu’illustré à la Figure 1.
    5. Exécutez le pousse-seringue transportant les seringues contenant la solution de mordançage TBAF/NMP mélangée à un 150 µL/min de débit permettant de caractériser le PDMS mouille la gravure.
    6. L’utilisation de vues microscopiques lumineux-zone et s’assurer que le canal gravé le long de la direction de l’écoulement a une largeur uniforme, donc confirmer que le volume de mélange de rapport entre les agents de gravure pour et la vitesse d’écoulement de mordançage sont adéquates.
    7. Capturer les images de la série chronologique du canal coupe transversale sous un microscope inversé avec un grossissement de X 4 durant le PDMS processus de gravure.
    8. Analyser les images stockées en appliquant la fonction de mesure de base à une analyse 2D du programme de traitement d’imagerie à prélever une séquence temporelle des nombres pour la largeur du chenal pendant le mouillé gravure processus de PDMS.
    9. Évaluer les taux de gravure de la série chronologique à travers l’équation illustré à la Figure 2, qui divise 50 % de la variation de largeur du canal (ΔW / 2) par la durée de la gravure de PDMS (t).
    10. Effectuer une régression linéaire des points de données recueillies afin d’estimer l’ensemble des taux de gravure de la mixte agents de gravure pour TBAF/NMP avec le volume spécifique rapport de 01:10 pour les matériaux PDMS de mélange, comme illustré à la Figure 2.
  2. PDMS séquentielle humide gravure pour fabriquer des canaux microfluidiques de différentes sections géométriques
    1. Concevoir un arrangement des avaloirs etchant pour la mise en page simple couche canal PDMS desservant le correspondant des processus de gravure dans l’ordre, afin qu’un type spécifique de canal de différentes formes transversales tel qu’illustré à la Figure 3 peut être fabriqué.
    2. Suivez les procédures décrites dans les étapes 2.1.1 - 2.1.7 pour le mouillé PDMS gravure approche.
      Remarque : Le débit est réglé que 50 μL/min.
    3. Alors que les agents de gravure pour TBAF/NMP sont fluides, inspecter les canaux gravés sous le microscope pour voir s’il existe des problèmes importants comme une quantité notable de bulles, un restant de plusieurs résidus chimiques induites par les agents de gravure, une fuite d’agents de la gravure pour, pour ou un flux d’agents de gravure pour sur un plan incliné.
    4. Observer la variation d’épaisseur de mur de canal microfluidique en microscopie inversée et temps humide gravure le processus pour s’assurer que les géométries de canal approprié sont atteints.

3. la conception d’une table de mixage microfluidique

Remarque : Une conception de la table de mixage microfluidique qui peut mélanger efficacement 2 fluides dissemblables est démontrée ici pour montrer une application avantageuse des canaux microfluidiques avec différentes sections.

  1. Fabrication d’un mélangeur de microfluidique avec différents profilés
    1. Faire un dispositif PDMS avec un canal microfluidique monocouche de la structure illustrée dans la Figure 4 par le réplica de lithographie douce moulage technique (section 2).
    2. Dans la disposition de canal simple couche microfluidique, présentent la solution de gel de mordançage TBAF/NMP préparée en suivant la procédure décrite à l’étape 2.1.1 du port marqué comme « outlet » à un débit de 20 µL/min à la Figure 4.
    3. Observer la variation d’épaisseur de mur microfluidique canal sous le microscope et temps humide gravure le processus afin de garantir l’atteinte des géométries canal approprié tel que représenté dans la Figure 5 .
  2. Caractérisation expérimentale du mélangeur microfluidique
    1. Après que le canal microfluidique avec des sections de différentes formes dans un motif de remplacement est réalisé, fluides dissemblables pompe 2, y compris une solution de sodium fluorescéine ayant une concentration de 50 µg/mL de sel et d’eau distillée dans 2 canaux séparés à un 20 µL/min Vitesse d’écoulement.
    2. Prendre des images de microscope du chenal de fluorescence en vue de dessus aux emplacements marqués comme A, B, C et D sous un microscope inversé (grossissement de X 4) pour les 2 consoles avec uniforme (avant le mordançage) et différents géométriques sections (après 2 h de SWEP), respectivement) La figure 6).
      Remarque : Les images de microscopie de fluorescence sont prises alors que les flux stables se produisent, au point de temps de 5 min, comptée à partir des moments de début du mélange à travers les canaux de mixage.
    3. Analyser les images fluorescentes capturées à l’aide d’un programme de traitement d’imagerie pour estimer le nombre d’efficacité qui est définies par le mélange résiduel de mélange correspondant (MR, 0,5 = non mélangés, 0 = totalement mixte) en le suivant équation27, 28:
      Equation
      Ici,
      t est le temps de gravure,
      L est la largeur du chenal à une certaine position d’intérêt,
      S est un segment de ligne dans l’ensemble de la chaîne à la position, et
      J’ai est la distribution d’intensité de fluorescence sur S à t.
    4. Tracer la distribution d’intensité de fluorescence plus S outre-manche aux emplacements marqués comme A, B, C et D pour les 2 consoles avec uniforme (avant le mordançage) et différents géométriques des sections (après 2 h de SWEP), respectivement. Estimer la M. correspondante, comme illustré à la Figure 6.

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Representative Results

Récemment, un grand nombre d’études ont été fait sur la fabrication des dispositifs microfluidiques avec canaux de différentes sections par réplique de lithographie de moulage13,14,15 et PDMS gravure techniques17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. Toutefois, il existe encore des restrictions considérables de structuration des formes et difficultés à fabriquent des opérations16,23. Dans cet article, une approche en une seule étape de manufacture des canaux microfluidiques PDMS de différentes sections géométriques de SWEP est proposée.

Schématiquement, figure 1 montre la microfluidique monocouche canal mises en page pour créer des canaux PDMS de différentes sections de SWEP et affiche le montage expérimental du système de tuyauterie associée. NMP est un buffer utilisé pour les expériences SWEP, comme illustré à la Figure 1 a et 1 b. Dans les expériences SWEP, il est important de choisir un solvant approprié afin d’éliminer les produits de gravure dans les canaux pour le maintien des écoulements laminaires exploités par les procédés de gravure. Par conséquent, le tampon NMP est choisi comme solvant pour dissoudre efficacement les produits de la SWEP22,23.

Les canaux gravées sont également remplis de colorants alimentaires bleu pour montrer l’évolution des sections canal à l’intérieur du dispositif microfluidique. En organisant etchant entrées du modèle conçu simple couche canal, microfluidique profilés avec diverses fonctions de géométrie de différents types peuvent être obtenus par le biais de la SWEP comme illustré à la Figure 3.

Pour caractériser le PDMS wet etching, un dispositif microfluidique avec une seule couche et canal rectiligne de formes rectangulaires est exploitée pour l’identification globale des taux de gravure de la mixte agents de gravure pour TBAF/NMP avec un ratio de mélange volume spécifique pour le PDMS matériaux. Par la régression linéaire des points de données collectées les variations de largeur de canal en ce qui concerne la gravure certaine fois, l’ensemble des taux de gravure de la solution de gel de mordançage sont estimé expérimentalement 2.714 µm/min (Figure 2).

Dans des canaux microfluidiques avec uniforme des coupes transversales, fluides coulent principalement le long des parois du canal, qui suppriment des contacts aléatoires entre les particules de substance ; par conséquent, mélange liquide par diffusion est habituellement obtenue par le biais de canaux particulièrement longue. Ainsi, des canaux microfluidiques de différentes sections géométriques sont prévus pour faciliter le mélange fluide avec l’aide de mouvements fluides latéraux sur les profilés. Dans cette étude, une conception du mélangeur microfluidiques (Figure 4) où les deux fluides dissemblables sont mélangent efficacement est démontrée ici pour la présentation d’une application avantageuse des canaux microfluidiques avec différentes sections. La figure 5 présente les images de la série chronologique du canal mixer microfluidique fabriquée par la SWEP utilisant des matériaux PDMS en vue de dessus à la gravure des stades de h 0, 0,25 h, h 0,40, 0,55 h, h 0,70, 1,00 h et h 2,00 en séquence.

Après la microfluidique canal avec des sections de différentes formes dans un motif de remplacement est réalisé et deux fluides différents, y compris une solution fluorescéine sodique sel et distillée eau sont ensuite pompées dans deux canaux séparés, fluorescence images de microscope de la chaîne en vue de dessus aux positions marquées comme A, B, C et D sont capturés sous un microscope inversé pour les deux mélangeurs avec uniforme (avant gravure) et de différentes sections géométriques (après 2 h de SWEP), respectivement (Figure 6). Ces images sont prises alors que les flux stables se produisent, au point de temps de 5 min, comptée à partir des moments de début du mélange à travers les canaux de mixage. Ensuite, ces images de microscopie de fluorescence sont livrés à un programme automatisé développé dans cette étude pour extraire les numéros correspondants de Monsieur qui représente l’efficacité de mélange du mélangeur.

Avant que le processus de gravure, le canal de la table de mixage avec une disposition de la chaîne serpentine avait coupes identiques de forme rectangulaire. En raison de la longueur du canal suffisamment nécessaire pour les mécanismes de diffusion, le mixage de microfluidique est un élément essentiel alliant efficacité, représentée par 0.4607, 0.3403, 0.2450 et 0,1940 M. numéros à A, B, C et D des positions, respectivement. Après 2 h de SWEP, d’une longueur de chaîne globale égale à l’original, le mélangeur de la microfluidique a profilés de formes différentes dans un autre modèle. Il est important que la table de mixage avec les sections de différents canaux offre une hausse marquée au mélange efficacité, représentée en diminuant sensiblement les numéros de Monsieur de 0.3875, 0.1915, 0.1336 et 0.0680 à A, B, C et D postes, respectivement, en raison de fluide latéral requêtes conduisant à l’advection en plus des mécanismes de diffusion. En outre, postées à B - D, ces mécanismes d’advection se produisant sur le résultat de sections du canal dans une apparente et uniforme augmentent de l’efficacité de mélange du mélangeur fabriquée par la SWEP.

Figure 1
Figure 1 : mise en place de tubes sur les réseaux monocouche canal microfluidique permettant de créer des canaux PDMS de différentes coupes géométriques par des procédés de gravure humide séquentielle (SWEP). (a) ce schéma montre les dispositifs microfluidiques avec chaînes simple couche. La couche supérieure est fabriquée en utilisant PDMS de conceptions de canaux multiples pour les arrangements d’entrée humides de mordançage. La couche inférieure est faite de PDMS avec un modèle vide. (Haut : entrée d’un mordançage ; moyen : deux arrivées de mordançage.) Le fond est le moule pour la fabrication de la couche supérieure. (b) ces panneaux montrent l’appareil assemblé pour la fabrication des circuits de différentes sections. La largeur des canaux et l’épaisseur des murs sont de 50 µm et 100 µm, respectivement. (c) ces panneaux montre les photos expérimentales de la mise en place de tubes sur les mises en page de la monocouche canal microfluidique pour la SWEP. (Rangée du haut : une admission de mordançage, rangée du bas : deux arrivées etchant.) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : caractérisation du PDMS humides de mordançage. Cette figure illustre la régression linéaire du canal moitié collectée des changements en ce qui concerne les temps de gravure pour estimer une salopette largeur taux de gravure de la mixte agents de gravure pour TBAF/NMP avec un ratio de mélange volume spécifique pour les matériaux PDMS. [L’encart est une représentation schématique de la géométrie de coupe transversale d’un modèle de canal simple et rectiligne pour caractériser le mouillé gravure tarifs des matériaux PDMS. L’ensemble des taux de gravure de TBAF/NMP (v : v = 01:10) est 2.714 µm/min et le correspondant de R2 (coefficient de détermination) est 0.9913.] S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : fabriqué des canaux microfluidiques de différentes sections géométriques par séquentielle gravure humide de PDMS. Ces panneaux montrent divers arrangements des avaloirs etchant pour les dispositions de canal PDMS monocouche qui dessert le processus de gravure dans l’ordre de fabrication des types de canaux particuliers des différentes formes transversales telles que le (a) correspondant en forme de croix, (b) haltère en forme et les géométries de coupe transversales en forme de cloche (c). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : fabriqué de mélangeurs de microfluidique utilisant des voies avec différentes sections. (un), le Comité est un dessin d’une mise en page simple couche canal pour la fabrication d’un mélangeur de microfluidique utilisant des voies avec différentes sections. La partie inférieure montre le moule pour la fabrication de canal simple couche. (b) ces panneaux montrent le scan de tuile microscope images du canal mixer ensemble avant et après 1 et 2 h de PDMS humide gravure à l’eau-forte. (c) ces panneaux montrent images lumineuses expérimentales sur le terrain du mélangeur profilés qui sont fabriqués par 1 et 2 h de PDMS humide gravure dans un top affichage (rangée du haut), dans une coupe perpendiculaire à la direction de l’écoulement le long du x-axe (second de la retour en haut) et dans une vue en coupe A-A coupe (troisième du haut) et B-B couper des postes (rangée du bas). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : images chronologiques des canaux de mixage microfluidique de différentes sections fabriquées par la gravure humide séquentielle des matériaux PDMS. (a) ce panneau montre le schéma d’une mise en page simple couche canal pour la fabrication d’un mélangeur de microfluidique avec différents profilés. (b) ces images de microscope de spectacles de panneaux de canal mixer dans un top Découvre à chaque étapes de gravure dans la séquence. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : caractérisation du mélangeur microfluidique fabriquée par séquentielle gravure humide de PDMS. (a) ces panneaux montrent une fluorescence images de microscope de canal mixer aux emplacements marqués comme A, B, C et D avant d’introduire des agents de gravure pour et à 2 h de mouiller la gravure de matériaux PDMS. (b) ces panneaux montrent des champs d’intensité de fluorescence mesuré présentés dans une coordonnée normalisée outre-manche mélangeur aux positions A, B, C et D avant (haut) et à 2 h de gravure humide PDMS (au milieu). Il montre aussi le MR analysé qui représente l’efficacité de mélange du mélangeur (0,5 : non mélangés, 0 : entièrement mélangés) à diverses positions de canal avant et après 2 h de gravure (en bas). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Durant les dernières décennies, la microfluidique a offert moyen prometteur par lequel des plateformes expérimentales pour la recherche biomédicale et chimique peuvent être construit systématiquement1,2,3,4, 5. Les plates-formes ont également présenté leurs capacités d’enquêter sur plusieurs fonctions cellulaires in vivo dans des conditions physiologiques microenvironnement via in vitro cellule études6,7, 8 , 9. sur des recherches expérimentales et leurs applications, la plupart du canal des sections droites de microfluidic devices sont uniformes et rectangulaire. Dans ces dispositifs microfluidiques, les structures de canal jouent un rôle important dans les conditions du micro-environnement. Par exemple, lorsque vous utilisez la microfluidique comme un appareil pour administration de médicaments, un contrôle passif au cours de ce transport chimique est modulé par le réglage de débit dans le canal rectangulaire de section standard géométrie29. Pour une distribution de flux désiré le transport de la substance sur le canal le long de la direction de l’écoulement, des canaux microfluidiques avec différentes sections géométriques sous une configuration de taux de débit dans l’ensemble peuvent être nécessaire. Un nombre considérable d’études ont pris d’importantes mesures pour fabriquer ces jetons avec les canaux souhaités avec différentes sections, y compris la construction de moules maîtres avec des profils de surface particulières de différentes hauteurs ou croix non rectangulaires 14,13,les sections15 et PDMS gravure techniques pour créer des surfaces avec des caractéristiques géométriques17,18,19,20 , 21 , 22. Toutefois, ces efforts impliquent non seulement des procédés de fabrication complexes mais aussi se limitent à des formes spécifiques et transversales des canaux16,23.

Dans cet article, une approche d’une étape à la création de canaux PDMS avec différentes sections est avancée en introduisant etchant dans des canaux spécifiques, des mises en page de monocouche prévues incorporés dans les matériaux PDMS de manière simple et cohérente. En outre, les processus de gravure humide séquentielle isotrope de former des canaux avec différentes formes transversales sont vérifiées à l’aide de calculs numériques itératives30. Apparemment, il est difficile de fabriquer des géométries de section du canal avec des angles vifs en raison de la suppression isotrope du matériau PDMS pendant le mouillé séquentielle des processus de gravure. Dans des applications pratiques, le contrôle précis de la géométrie de la section fabriqué des canaux microfluidiques nécessite une caractérisation précise des taux de gravure de PDMS humide et des arrangements minutieuse de l’installation de système de tuyauterie associée. Par rapport aux méthodes actuelles de fabrication des canaux microfluidiques PDMS géométries différentes, l’approche développée en une seule étape peut simplifier considérablement les processus de fabrication de canaux avec des sections non rectangulaire ou de différentes hauteurs. Par conséquent, la technique mise au point permet de construire des canaux microfluidiques complexes qui peuvent conduire à l’élaboration de systèmes microfluidiques innovantes pour diverses applications.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à déclarer.

Acknowledgments

Les auteurs remercient l’appui fourni par le National santé recherche Instituts (INRH) à Taïwan sous l’innovants Research Grant (IRG) (EX106-10523EI), le Taiwan Ministère de la Science et la technologie (plus 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) et de l’Academia Sinica Career Development Award. Les auteurs tiens à remercier Hsu Heng-Hua pour la relecture du manuscrit.

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

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References

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  26. 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).
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Ingénierie numéro 139 microfluidique polydiméthylsiloxane fabrication des dispositifs microfluidiques wet etching canaux microfluidiques de différentes sections géométriques mélangeurs de microfluidique
En une seule étape approche de manufacture des canaux microfluidiques polydiméthylsiloxane de différentes Sections géométriques par des procédés de gravure humide séquentiel
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Wang, C. K., Liao, W. H., Wu, H. M., Tung, Y. C. One-Step Approach to Fabricating Polydimethylsiloxane Microfluidic Channels of Different Geometric Sections by Sequential Wet Etching Processes. J. Vis. Exp. (139), e57868, doi:10.3791/57868 (2018).

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