Summary
Flere metoder er tilgjengelige for fabrikasjon av kanaler ikke-rektangulære seksjoner innebygd i polydimethylsiloxane microfluidic enheter. De fleste av dem involverer må produksjon og omfattende justering. I dette papiret rapporteres en ett-trinns tilnærming for fabrikasjon microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt av polydimethylsiloxane sekvensiell våt etsing.
Abstract
Polydimethylsiloxane (PDMS) materialer er vesentlig utnyttes til å dikte microfluidic enheter ved hjelp av myk litografi kopi molding teknikker. Tilpasses kanalen layout tegninger er nødvendige for spesifikke funksjoner og integrert ytelse av microfluidic enheter i rekke biomedisinsk og kjemiske programmer (f.eks cellekultur, biosensing, syntese og flytende håndtering). På grunn av natur molding tilnærminger med photoresist lag mønstret av klima og jordsmonn som master muggsopp silisiumskiver, har microfluidic kanaler vanligvis vanlig tverrsnitt av rektangulære figurene med identiske høyder. Vanligvis kanaler med flere høyder eller ulike geometriske inndelinger er utformet for å ha bestemte funksjoner og utføre i ulike microfluidic programmer (f.ekshydrophoresis brukes til å sortere partikler og kontinuerlig renner skille blod celler6,7,8,9). Derfor har mye innsats blitt gjort i konstruere kanaler med ulike seksjoner gjennom flertrinns tilnærminger som klima og jordsmonn bruker flere photoresist lag og montering av forskjellig PDMS tynne ark. Likevel innebærer slike flertrinns tilnærminger vanligvis kjedelig prosedyrer og omfattende instrumentering. Videre fabrikkerte enhetene kan ikke utføre konsekvent og resulterte eksperimentelle data kan være uforutsigbare. Her er en ett-trinns tilnærming utviklet for enkel fabrikasjon av microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt gjennom PDMS sekvensiell våt etsing prosesser, som introduserer etsematerialer inn i planlagte enkeltlags-oppsett innebygd i PDMS materialer. Sammenlignet med de eksisterende metodene for produksjon PDMS microfluidic kanaler med ulike geometrier, kan utviklet ettrinns tilnærming betydelig forenkle prosessen å dikte kanaler med ikke-rektangulært deler eller ulike høyder. Derfor er teknikken en måte å lage komplekse microfluidic kanaler, som gir en fabrikasjon løsning for fremme av nyskapende microfluidic systemer.
Introduction
Microfluidic teknikker har oppmerksomhet de siste tiårene på grunn av sine iboende fordeler for en rekke biomedisinsk og kjemiske forskning og programmer. Flere er materialforbruket for å konstruere microfluidic chips tilgjengelig i dag som polymerer, keramikk og silisium materialer. Til best av vår kunnskap, blant microfluidic materialer, er PDMS den vanligste på grunn av egenskapene for riktig materiale for ulike microfluidics forskning og programmer, inkludert dens optisk og biologiske kompatible med partikler væsker og ekstremt liten levende organismer1,2,3,4,5. Videre overflaten kjemiske struktur mekanisk egenskapene og PDMS materialer kan justeres for å lette MEMS og mechanobiological studier ved å bruke slike polymer-baserte microfluidic enheter10, 11,12. Om produksjon av microfluidic enheter med designet kanal mønstre, myk litografi kopi molding metoder brukes vanligvis til å opprette microfluidic kanalene ved å utnytte sine tilsvarende master muggsopp som består av klima og jordsmonn-mønstret photoresist lag og silisium wafer underlag12. På grunn av natur molding tilnærminger med mønstret photoresist lag silisiumskiver, har microfluidic kanaler vanligvis vanlig tverrsnitt av rektangulære figurene med identiske høyder.
Nylig har forskere gjort betydelig fremgang i biomedisinsk studier som omhandler, for eksempel, sortering partikler og celler ved hjelp av hydrophoresis skille blodplasma og berikende hvit blod celler ved å bruke microfluidic chips med kanaler ulike høyder eller geometriske inndelinger6,7,8,9. Slik sortering og skiller funksjonene til microfluidics for biomedisinsk programmer realiseres ved å tilpasse kanaler med ulike geometriske inndelinger. Flere studier har vært viet til produksjon av microfluidic kanaler med tverrsnitt av ulike geometriske funksjoner ved å fabrikere master former med bestemte overflaten mønstre for ulike høyder eller ikke-rektangulært tverrsnitt. Disse studiene på mold fabrikasjon inkluderer slike teknikker som flere trinn klima og jordsmonn, photoresist flyt og grå skala litografi13,14,15. Uunngåelig innebære de eksisterende teknikkene fint utformet photomasks eller en presis justering i flere trinn produksjonsprosesser, som kan betydelig forbedre kompleksitet nivåer av tilsvarende fabrikasjon av microfluidic kanaler. Så langt flere forsøk har blitt gjort på enkeltsteg produksjonsprosesser for microfluidic kanaler av ulike deler, men den respektive teknikker er svært begrenset til bestemte cross-sectional figurer kanaler16.
De siste to tiårene, i tillegg til molding tilnærminger for fabrikasjon PDMS har microfluidic kanaler med ulike deler, etsing teknikker for mønstre PDMS kanaler med geometriske funksjoner blitt fabrikasjon av valg i en rekke microfluidic programmer. For eksempel utnyttes PDMS våt etsing med flerlags PDMS bånd for å konstruere en pneumatisk actuated celle kultur enhet av microfluidics med rekonstituert organ-nivå lunge funksjoner17. Den PDMS våte etsing teknikken ansatt med PDMS opplegg sylindrisk microwells maskinert av dataassistert styringssystemer for fabrikasjon 3D PDMS microneedle matriser18. PDMS tørr etsing brukes til å lage PDMS microstructures som deler av mikro-elektromekaniske aktuatorer19,20. Porøse PDMS membraner med designet pore oppsett er også fabrikert gjennom tørr etsing prosesser21. Både våte og tørre etsing teknikker kan integreres i mønstre PDMS filmer med angitte geometriske figurer22.
Imidlertid kanal etsing teknikker for å danne PDMS strukturer med komplekse delen figurene ikke er ofte brukt på grunn av sine iboende begrensninger på microfluidic fabrikasjon. Først, mens teknikker for PDMS våt etsing utnytte laminær strømmer av kjemikalier for oppretting microfluidic kanaler med ulike seksjoner er etablert, etterfølgende kanalen delen dannelsen er fortsatt begrenset grunnleggende egenskapene av isotropic kjemisk etsing behandler23. Videre, selv om det synes å være plass for å kontrollere kanalen delen geometrier i en microfluidics fabrikasjon benytter PDMS tørr etsing teknikker20, nødvendige etsing tiden skal vanligvis for lang tid (i timer) praktisk for produksjon microfluidic chips. I tillegg, etsing selektivitet mellom PDMS materialer og den tilsvarende maskeringen photoresist lag kan være lav generelt og resulterte etset dypet for kanalene er dermed ikke akseptabel20.
I dette papiret utvikle vi en ett-trinns tilnærming for å dikte microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt av PDMS sekvensiell våt etsing prosesser (heretter referert til som SWEP). SWEP begynner med en PDMS microfluidic enhet med enkeltlags-kanaler. Med diverse layout design av kanalene, kan fabrikasjon microfluidic kanaler med ulike geometriske deler av ulike slag oppnås gjennom sekvensiell etsing prosesser. Sekvensiell etsning trenger bare en etsematerialer å bli introdusert i bestemte kanaler av planlagte enkeltlags-oppsett i PDMS materialer. Sammenlignet med konvensjonelle PDMS metallbearbeiding prosesser, SWEP bare kreve ett steg videre å dikte microfluidic kanaler ikke-rektangulære seksjoner eller ulike høyder. Den foreslåtte SWEP gir en grei og enkel måte å fabrikere microfluidic kanaler med ulike seksjoner flyt retning, som kan betydelig forenkle prosessen i de nevnte metodene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabrikasjon av Microfluidic enheter med enkeltlags-kanal oppsett
Merk: I dette papiret, myk litografi metode3 er vedtatt for fabrikasjon microfluidic enheter produsert av PDMS materialer, å produsere kanaler med ulike seksjoner.
-
Etableringen av master former for et PDMS lag med designet topologi funksjoner
- Utforme kanal oppsett på et PDMS lag for en enkelt etsing prosessen eller etsing i rekkefølge.
- Skisse invertert topologi funksjonene i designet PDMS laget med en dataassistert tegneprogram.
- Levere filen skisse til en klima og jordsmonn-funksjonen for å hente en mønstret photomask med høy presisjon invertert topologi funksjoner av kanalen oppsett på en transparent24.
- Bruk isopropylalkohol (2-Propanol (IPA), ≥ 99,9%), aceton (Propan-2-en, ≥ 99,5%) og bufrede oksid etch (foe, NH4F:HF (v/v) = 6:1) på overflater av en 4-tommers silisium wafer å fjerne støv eller rester og unngå forurensing.
- Bruk rundt 500 mL deionisert vann vask silisium kjeks en siste polering og deretter bruke nitrogen gass til tørk skylles kjeks.
- Plass en negativ tone photoresist ca 20 g på kjeks. Så spinn pelsen kjeks på 500 rpm for 15 s og 2000 rpm for 30 å produsere et photoresist lag med rundt 75 µm tykkelse.
Merk: Ulike photoresist tykkelser oppnås ved hjelp av negative tone photoresists med forskjellige varenumre og annet spill belegg, bakervarer og utvikling forhold, ifølge brukerhåndbøker25,26. - Myk bake kjeks ved å varme den opp på en kokeplate på 65 ° C til 3 min og deretter på 95 ° C i 9 min.
- Satt kjeks i en photomask aligner maskin med mønstret gjennomsiktigheten fra trinn 1.1.3 som en maske.
- I aligner maskinen, kan du bruke ultrafiolett (UV) lys på 300 mJ/cm2 å avsløre kjeks dekket av gjennomsiktigheten.
- Etter eksponering for UV-lyset, plassere kjeks på en kokeplate på 65 ° C i 2 minutter og deretter på 95 ° C i 7 min som post-eksponering bake (PEB).
- Etter PEB, sterkt agitere kjeks i en negativ tone photoresist utvikler, eller plass midt kjeks i ultralydbad (37 kHz, effektive power of 180 W) i 7 min.
- Rengjør hele kjeks igjen med isopropyl alkohol å eliminere noen utvikler igjen på wafer overflaten.
- For å hindre uønsket bonding, silanize overflaten av kjeks ved at kjeks med 100 µL av 97% silane (1H1H2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) en 6 cm Petriskål i en desiccator.
- Koble til desiccator til en vakuumpumpe og sette det tomrommet trykket på 760 mmHg.
- Neste, slå på pumpen i 15 min. Skru den av, og deretter la wafer til hvile i et vakuum i desiccator i 30 min.
FORSIKTIG: Fordampet silane er svært skadelig for mennesker; hele wafer overflate passivation må derfor utføres i avtrekksvifte. - Hente silanized kjeks, som var under overflaten passivation. Fix kjeks i en 15 cm Petriskål for videre bruk.
Merk: Mønstret kjeks er klar til å brukes som en mold for å gjenskape designet kanal oppsettene omvendt av PDMS materialer.
-
Fabrikasjon av PDMS kanal oppsett ved å replikere invertert topologien på formene
- Sett base PDMS (monomer) sammen med tilhørende katalysator (herding agent) i Volumforholdet 10:1 i en ren og engangs plast kopp.
- Bland PDMS prepolymer blandingen (fra trinn 1.2.1) homogent ved hjelp av en makt rørestang.
- Sett koppen i desiccator koblet til vakuumpumpe for 60 min fjerne fanget bobler i PDMS blanding.
- Hell 20 g (for del 2) eller 8 g (for avsnitt 3) PDMS prepolymer blandingen over master mold (laget i trinn 1.1) med invertert topologi funksjoner av designet kanal oppsett, og deretter fjerne mulig bobler innebygd i PDMS materiale ved hjelp av t Han desiccator (for 60 min).
- Sett mugg bærer PDMS blandingen i en ovn ved 60 ° C 4 h å kurere silikonbasert flytende prepolymer materialer.
- Etter avkjøling kjeks med PDMS til romtemperatur i ca 20 min, koble den herdet PDMS fra formen med en skalpell og pinsett.
- Skreddersy frittliggende PDMS laget til et område (ca 6 x 6 cm2 Seksjon 2 eller 2 x 7,5 cm2 for avsnitt 3) dekker hele kanal layoutarbeider ved hjelp av en skalpell.
- Opprette kanal tilgangsporter (innganger og utganger) ved hjelp av en biopsi punch 1,5 mm i diameter.
Merk: Tallene og plassering av inn- og utløp er designet basert på etsing prosessbeskrivelser fabrikere bestemte microfluidic kanaler. - Hell 30 g PDMS prepolymer blandingen i en Petriskål, og deretter fjerne mulig bobler innebygd i PDMS materiale ved hjelp av desiccator (for 60 min).
- Sette Petriskål bærer PDMS blandingen i en ovn ved 60 ° C i mer enn 4 h å kurere flytende prepolymer materialer.
- Etter avkjøling Petriskål sammen med PDMS til romtemperatur i ca 20 min, koble den herdet PDMS fra retten med en skalpell og pinsett.
- Bruker en skalpell, skreddersy frittliggende PDMS laget uten noen funksjoner til dimensjoner lik de av nevnte PDMS laget (ca 6 x 6 cm2 Seksjon 2 eller 2 x 7,5 cm2 for avsnitt 3).
- Aktivere overflater av begge PDMS lag (laget i trinn 1.2.7 og 1.2.12) designet kanal oppsettene og uten noen funksjoner ved å utsette de øverste PDMS materialene til oksygen plasma i en overflatebehandling maskin på 90 W for 40 s.
- Bond 2 PDMS lag å kontakt mellom deres behandlede flater rett etter oksygen plasma overflaten aktiveringen. Så, la limt PDMS lagene i en ovn ved 60 ° C i mer enn 30 min.
Merk: Det er ingen øvre tidsbegrensning for å forlate limt PDMS lagene i ovnen. - Etter 2 limt PDMS lag har avkjølt, trim overflødig PDMS materiale fra fabrikkert enheten for en senere eksperimentelle set-up.
2. ett-trinns tilnærming til fabrikasjon PDMS Microfluidic kanaler med ulike deler
Merk: Våt etsing rate betegner PDMS, en microfluidic enhet med en ett-lags og rett kanal for rektangelfigurene foreslås skal utnyttes til å identifisere bestemte etsing priser for bestemte eksperimentelle innstillinger.
-
Eksperimentell karakterisering av PDMS våt etsning
- Forberede en etsematerialer løsning ved å blande tetra-n-butylammonium fluorid (TBAF, en 1 M løsning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-metyl-2-pyrrolidinone (NMP) frekvensen av v: v = 1:10.
Merk: NMP er i stand til å effektivt oppløsende alkaliske rester av etsematerialer. Generelt, PDMS materialer er hovne marginalt av NMP, og PDMS microfluidic enhetene er fremdeles kjøpedyktig bevare deres figurer, volumer, og forsegle forhold. - Trekke det blandet TBAF/NMP saltoppløsninger 10 mL sprøyter koblet til en rustfritt sløv nål (16 G) til.
- Definere en sprøytepumpe som en kontroller av press-drevet væsker i kanaler.
- Koble de Butte nålene av sprøyter fylt med etsematerialer løsningen til kanalen-porten på den ovennevnte enkel enheten og guide respektive porten fra stikkontakten rør til en avfall beholder som vist i figur 1.
- Kjør sprøytepumpen bærer sprøyter som inneholder blandet TBAF/NMP etsematerialer løsningen på en 150 µL/min flow rate for å karakterisere PDMS våt etsning.
- Bruk lyse-feltet mikroskopiske visninger og kontroller at etset kanalen langs flytretningen har en uniform bredde, derfor bekrefte at volumet blande forholdet mellom saltoppløsninger og etsematerialer infusjonshastigheten er tilstrekkelig.
- Ta de gang-serie bildene av kanalen tverrsnitt under en invertert mikroskop med en 4 X forstørrelse under PDMS etsningsprosessen.
- Analyser de lagrede bildene ved å bruke funksjonen grunnleggende mål i en 2D analyse av bildebehandlingsprogrammet behandling å samle en tidssekvens tall for kanal bredde under den våte etsing prosessen av PDMS materialer.
- Evaluere tidsserier etsing priser gjennom ligningen vist i figur 2, som er å dele 50% av kanalen bredden endrer (ΔW / 2) av varighet PDMS etsning (t).
- Utføre en lineær regresjon av de innsamlede data poengene å beregne en samlet etsing rate av blandet TBAF/NMP saltoppløsninger med det spesifikke volumet blande forholdet 1:10 for de PDMS materialene som vist i figur 2.
- Forberede en etsematerialer løsning ved å blande tetra-n-butylammonium fluorid (TBAF, en 1 M løsning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-metyl-2-pyrrolidinone (NMP) frekvensen av v: v = 1:10.
-
PDMS sekvensiell våt etsing for fabrikasjon microfluidic kanaler med ulike geometriske inndelinger
- Utforme en ordning av etsematerialer viker for enkeltlags-PDMS kanal layout serverer de tilhørende etsing prosesser i rekkefølge, slik at en bestemt kanal type forskjellige cross-sectional former som vist på Figur 3 kan fremstille.
- Følg fremgangsmåten beskrevet i trinnene 2.1.1 - 2.1.7 for den PDMS våte etsing tilnærming.
Merk: Infusjonshastigheten er angitt som 50 μL/min. - Mens TBAF/NMP saltoppløsninger flyter, inspisere etset kanaler under mikroskop for å se om det finnes betydelige problemer som en merkbar mengde bobler, en gjenværende av flere alkaliske rester av saltoppløsninger, en lekkasje av saltoppløsninger, eller en strøm av etsematerialer på en skråning fly.
- Observere microfluidic kanal veggen tykkelse variasjonen av invertert mikroskopi, og tid den våte etsing prosessen for å sikre riktig kanal geometrier er oppnådd.
3. utformingen av en Microfluidic mikser
Merk: En design av microfluidic blandebatteri som effektivt kan blande 2 ulike væsker er demonstrert her for å vise et fordelaktig program microfluidic kanaler med ulike deler.
-
Fabrikasjon av en microfluidic mikser med annen kanal seksjoner
- Gjøre en PDMS enhet med en ett-lags mikrovæskekanalen av vist i Figur 4 av myke litografi replikaen molding teknikk (inndeling 2).
- I oppsettet for ett-lags microfluidic-kanal kan introdusere TBAF/NMP etsematerialer løsningen forberedt ved å følge fremgangsmåten beskrevet i trinn 2.1.1 fra havnen merket som "uttak" på en 20 µL/min flow rate i Figur 4.
- Observere microfluidic kanal veggen tykkelse variasjonen under mikroskopet, og tid den våte etsing prosessen for å sikre riktig kanal geometrier som vist i figur 5 er oppnådd.
-
Eksperimentell karakterisering av microfluidic blandebatteri
- Etter mikrovæskekanalen med deler av forskjellige former i en alternativ mønster er realisert, pumpe 2 ulike væsker inkludert en løsning av natrium fluorescein salt har en 50 µg/mL konsentrasjonen og destillert vann i 2 separate kanaler på en 20 µL/min gjennomstrømning.
- Ta fluorescens mikroskop bilder av kanalen i ovenfra i plasseringene som er merket som A, B, C og D under en invertert mikroskop (4 X forstørrelse) for den 2 miksere med uniform (før etsing) og ulike geometriske inndelinger (etter 2 timer med SWEP), henholdsvis) Figur 6).
Merk: Fluorescens mikroskop bildene tatt mens stabil renn oppstår, på tidspunktet 5 min, regnet fra begynnelsen øyeblikk av miksing kanalene blandebatteri. - Analysere de fluorescerende bildene ved hjelp av et bildebehandlingsprogram behandling for å anslå den tilsvarende blande effektivitet tall som er definert av den blande gjenværende (MR, 0,5 = ublandet, 0 = helt blandet) i den følgende formelen27, 28:
her
t er etsing tiden,
L er kanalen bredden på et bestemt sted av interesse,
S er et linjesegment over kanalen i posisjon, og
Jeg er fluorescens intensitet distribusjon over S på t. - Plot fluorescens intensitet distribusjon over S over kanalen i plasseringene som er merket som A, B, C og D for den 2 miksere med uniform (før etsing) og ulike geometriske inndelinger (etter 2 timer med SWEP), henholdsvis. Beregne tilsvarende MR avbildet i figur 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nylig, et stort antall studier er gjort på fabrikasjon av microfluidic enheter med kanaler med ulike deler av litografi replika molding13,14,15 og PDMS etsing teknikker17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. imidlertid finnes det fortsatt betydelige begrensninger av mønstre figurer og problemer med produksjon operasjoner16,23. I denne utredningen foreslås en ett-trinns tilnærming til fabrikasjon PDMS microfluidic kanaler med ulike geometriske deler av SWEP.
Figur 1 skjematisk viser microfluidic enkeltlags-kanal oppsett for å lage PDMS kanaler av ulike deler av SWEP og viser eksperimentelle oppsett av tilknyttede rørsystem. NMP er en bufferen for SWEP eksperimenter, som vist i figur 1a og 1b. I SWEP eksperimenter er det viktig å velge en riktig løsemiddel å eliminere etsing produktene i kanaler for å opprettholde laminær flyter utnyttet av etsing prosessene. Følgelig er NMP bufferen valgt som løsemiddelet å effektivt oppløse produkter av SWEP22,23.
Etset kanalene er også fylt med blå mat fargestoffer å vise utviklingen av delene kanalen inne i microfluidic enheten. Ved å arrangere etsematerialer viker designet enkeltlags-kanal oppskriften, kan microfluidic kanal seksjoner med ulike geometriske funksjoner av forskjellig slag oppnås gjennom SWEP som vist i Figur 3.
Å karakterisere PDMS våt etsing, en microfluidic enhet med en ett-lags og rette kanalen rektangelfigurene utnyttes til å identifisere en samlet etsing rate av blandet TBAF/NMP saltoppløsninger med et bestemt volum-miksing forhold for PDMS materialer. Med lineær regresjon av innsamlede datapunkter kanal bredde variasjoner med hensyn til visse etsing ganger, samlet anslås eksperimentelt etsing rate av etsematerialer løsningen som 2.714 µm/min (figur 2).
Microfluidic kanaler med uniform tverrsnitt flyter væsker hovedsakelig langs kanalen vegger, som undertrykker tilfeldig kontakter mellom stoffet partikler; Derfor er flytende blande drevet av diffusjon vanligvis oppnås gjennom spesielt lange kanaler. Resultatet er microfluidic kanaler med ulike geometriske inndelinger forventet for å lette flytende blanding med hjelp av lateral flytende bevegelser over kanal seksjoner. I denne studien er en utforming av microfluidic blandebatteri (Figur 4) der to ulike væsker er effektivt blandet demonstrert her presentere et fordelaktig program microfluidic kanaler med ulike deler. Figur 5 viser gang-serie bilder av mixer mikrovæskekanalen fabrikkert av SWEP ved hjelp av PDMS materialer i topp utsikt på etsning av 0 h, 0,25 h, 0.40 h, 0.55 h, 0,70 h, 1.00 h og 2,00 h i rekkefølge.
Etter microfluidic kanal med deler av forskjellige former i en alternativ mønster er realisert og to ulike væsker inkludert en løsning fluorescein natrium salt og destillert vann er senere pumpes inn i to separate kanaler, fluorescens mikroskopet bilder av kanalen i ovenfra i plasseringene som er merket som A, B, C og D er fanget under en invertert mikroskop for den to miksere med uniform (før etsing) og ulike geometriske inndelinger (etter 2 timer med SWEP), henholdsvis (figur 6). Disse bildene er tatt mens stabil renn oppstår, på tidspunktet 5 min, regnet fra begynnelsen øyeblikk av miksing kanalene blandebatteri. Deretter leveres bildene fluorescens mikroskopet til et automatisert program utviklet i denne studien å trekke ut tilsvarende MR tallene representerer blande effektiviteten av blandebatteri.
Etsing prosessen hadde kanalen av blandebatteri med serpentin kanal oppsett identiske tverrsnitt av rektangel. På grunn av tilstrekkelig kanal lengden nødvendig for diffusion mekanismer, microfluidic mikseren har en viktig miksing effektivitet representeres av 0.4607, 0.3403, 0.2450 og 0.1940 MR tall på A, B, C og D stillinger, henholdsvis. Etter 2 timer med SWEP, med en lik kanal lengde til det opprinnelige, har microfluidic blandebatteri kanal deler av forskjellige former i en alternativ mønster. Det er viktig at blandebatteri med delene annen kanal gir en markert økning i blande effektivitet, representert ved merkbart redusere MR antall 0.3875, 0.1915, 0.1336 og 0.0680 på A, B, C og D stillinger, henholdsvis på grunn av lateral væske bevegelsene fører til advection i tillegg til diffusjon mekanismer. Dessuten fra plasseringen B - D, slik advection mekanismer oppstår over kanal seksjoner resultatet i en tydelig og enhetlig økning i miksing effektiviteten av blandebatteri fabrikkert av SWEP.
Figur 1: rør oppsett microfluidic enkeltlags-kanal oppsett for å lage PDMS kanaler med ulike geometriske tverrsnitt av sekvensiell våt etsing prosesser (SWEP). (en) dette skjematisk viser microfluidic enhetene med enkeltlags-kanaler. Det øverste laget er fabrikkert med PDMS av flere kanal design for våt etsematerialer innløp ordninger. Den nederste laget er laget av PDMS med en tom mønster. (Topp: en etsematerialer innløp; midten: to etsematerialer viker.) Bunnen er en form for topplag fabrikasjon. (b) disse panelene viser samlet enheten for fabrikasjon av kanaler for ulike deler. Bredden på kanalene og tykkelsen på veggene er 50 µm og 100 µm, henholdsvis. (c) disse panelene viser eksperimentelle bilder av rør opplegget på microfluidic enkeltlags-kanal oppsettene for SWEP. (Øverste rad: en etsematerialer vik, nederste rad: to etsematerialer viker.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: karakterisering av PDMS våt etsning. Denne illustrasjonen viser lineær regresjon av samlet halve kanalen bredde endringer med hensyn til etsing tidspunktene for beregne en samlet etsing rate av blandet TBAF/NMP saltoppløsninger med en bestemt volum-miksing for de PDMS materialene. [Rammemargen er en skjematisk av cross-sectional geometrien av en enkel og rett mønster for å karakterisere den våte etsing av PDMS materialer. Samlet etsing rate av TBAF/NMP (v: v = 1:10) 2.714 µm/min og den tilsvarende R2 (determinantens koeffisient) er 0.9913.] Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: fabrikkert microfluidic kanaler med ulike geometriske deler av sekvensiell PDMS våt etsning. Disse skjermbildene viser ulike arrangementer av etsematerialer viker for enkeltlags-PDMS kanal oppsett serverer de tilhørende etsing prosesser i rekkefølge for fabrikasjon spesielle typer forskjellige cross-sectional former for eksempel (en) korsformede, (b) Manual-formet, og (c) klokkeformet cross-sectional geometri. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: fabrikkert microfluidic blandebatterier utnytte kanaler med ulike deler. (en) dette panelet er en tegning tegning av en enkeltlags-kanal layout til fabrikasjon av et microfluidic blandebatteri utnytte kanaler med ulike deler. Bunnen viser mold for enkeltlags-kanal fabrikasjon. (b) disse panelene viser flis skanningen mikroskop bilder av hele blandebatteri kanalen før og etter 1 og 2 h PDMS våt etsning. (c) disse panelene viser eksperimentelle lyse feltet bilder av blandebatteri kanal seksjoner som er laget av 1 og 2 h PDMS våt etsing toppen visningen (øverste rad), i en klippe vinkelrett flytretningen langs x-aksen (andre fra den topp), og i en inndelingsvisning A-A cut (tredje fra toppen) og B-B kuttet (nederste rad) posisjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: gang-serie bilder av microfluidic mikser kanaler med ulike deler fabrikkert av sekvensiell våt etsning av PDMS materialer. (en) dette panelet viser skjematisk av enkeltlags-kanal oppsett for fabrikasjon av en microfluidic mikser med annen kanal seksjoner. (b) disse panelene viser mikroskop bilder av blandebatteri kanalen toppen Vis på hver etsing stadier i rekkefølge. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: karakterisering av microfluidic blandebatteri fabrikkert av sekvensiell PDMS våt etsning. (en) disse panelene viser fluorescens mikroskop bilder av blandebatteri kanalen i plasseringene som er merket som A, B, C og D før innføring saltoppløsninger og 2t våt etsing av PDMS materialer. (b) disse panelene viser målt fluorescens intensitet feltene presentert i en normalisert koordinat over blandebatteri kanalen på plasseringene A, B, C og D før (øverst) og 2 timer med PDMS våt etsing (midten). Den viser også analysert MR representerer blande effektiviteten av blandebatteri (0,5: ublandet, 0: fullt blandet) på ulike kanal posisjoner før og 2 h for etsning (nederst). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De siste tiårene, har microfluidics tilbudt lovende betyr som eksperimentelle plattformer for kjemisk og biomedisinsk forskning kan være konstruert systematisk1,2,3,4, 5. De har også presentert sine evner å undersøke flere cellulære funksjoner i vivo under fysiologiske microenvironment forhold via i vitro celle studier6,7, 8 , 9. i eksperimentell forskning og relaterte programmer, de fleste av kanalen tverrsnitt av microfluidic enheter er jevn og rektangulære. I slike microfluidic enheter spiller kanal strukturer en viktig rolle i microenvironment forhold. For eksempel når du bruker microfluidics som et apparat for narkotika-leveranser, modulert en passiv kontroll over slike kjemiske transport ved å justere infusjonshastigheten i rektangulære kanalen standard tverrsnitt geometri29. For en ønsket flux distribusjon av stoffet transport over kanalen strømmen retning kreves microfluidic kanaler med ulike geometriske deler under en samlet volumetriske flyten hastighet oppsett. En rekke studier har tatt noen viktige skritt å dikte slike brikker med ønsket kanaler i ulike deler, inkludert byggingen av master former med bestemte overflaten mønstre for ulike høyder eller ikke-rektangulært kryss kapittel13,14,15 og PDMS etsing teknikker for å lage overflater med geometriske funksjoner17,18,19,20 , 21 , 22. men disse forsøkene ikke bare involverer komplekse produksjonsprosesser, men også er begrenset til bestemte cross-sectional figurer kanaler16,23.
I denne utredningen er en ett-trinns tilnærming til å lage PDMS kanaler med ulike seksjoner avansert ved å innføre etsematerialer inn i bestemte planlagte enkeltlags-oppsett innebygd i PDMS materiale på en enkel og konsekvent måte. Videre er isotropic sekvensiell våt etsing prosesser å danne kanaler med forskjellige cross-sectional former bekreftet ved hjelp av iterativ numerisk beregning30. Angivelig, er det vanskelig å dikte kanalen delen geometrier med skarpe vinkler på grunn av isotropic fjerning av PDMS under den sekvensielle våte etsing prosesser. I praktiske anvendelser krever presis kontroll over fabrikkerte delen geometrier microfluidic kanaler en nøyaktig karakterisering av PDMS våt etsing priser og forsiktig arrangementer av det tilknyttede rør oppsettet. Sammenlignet med de eksisterende metodene for produksjon PDMS microfluidic kanaler med ulike geometrier, kan utviklet ettrinns tilnærming betydelig forenkle prosessene av fabrikere kanaler med ikke-rektangulært deler eller ulike høyder. Derfor gir utviklet teknikken en måte å lage komplekse microfluidic kanaler som kan føre til utviklingen av innovative microfluidic for forskjellige søknadene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å fortolle.
Acknowledgments
Forfatterne erkjenner takknemlig støtte gitt av den nasjonale helse Research institutter (NHRI) i Taiwan under nyskapende forskning Grant (IRG) (EX106-10523EI), den Taiwan departementet for vitenskap 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 Development Award. Forfatterne vil gjerne takke Heng-Hua Hsu for korrekturlesing av manuskriptet.
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).
