Summary
Diversi metodi sono disponibili per la realizzazione di canali di sezioni non rettangolari incorporati in dispositivi microfluidici polidimetilsilossano. La maggior parte di essi coinvolgono produzione multistep e vasto allineamento. In questa carta, un approccio One-Step è segnalato per la realizzazione di canali microfluidici di diverse sezioni trasversali geometriche di polidimetilsilossano sequenziale acquaforte bagnata.
Abstract
Materiali di polidimetilsilossano (PDMS) sostanzialmente vengono sfruttate per fabbricare dispositivi microfluidici mediante tecniche di stampaggio di litografia soft replica. Progettazione di layout di canale personalizzati sono necessari per determinate funzioni e prestazioni integrato di dispositivi microfluidici nelle numerose applicazioni biomediche e chimiche (per esempio, la coltura cellulare, biosensori, sintesi chimica e dei liquidi). A causa della natura di approcci utilizzando wafer di silicio con strati di photoresist modellati di fotolitografia come master stampi di stampaggio, i canali microfluidici comunemente hanno sezioni trasversali regolari di forme rettangolari con altezze identiche. In genere, canali con più altezze o sezioni geometriche differenti sono progettati per possedere particolari funzioni e ad esibirsi in varie applicazioni di microfluidica (ad esempio, hydrophoresis viene utilizzato per l'ordinamento di particelle e in flussi continui per che separa le cellule del sangue6,7,8,9). Pertanto, una grande quantità di sforzo è stata fatta nella costruzione di canali con varie sezioni attraverso approcci più-passaggio come fotolitografia utilizzando diversi strati di photoresist e l'assemblaggio di diversi PDMS sottili fogli. Tuttavia, tali approcci più-passaggio di solito comportano procedure noiose e ampia strumentazione. Inoltre, i dispositivi fabbricati non possono eseguire in modo coerente e ha portati dati sperimentali potrebbero essere imprevedibili. Qui, un approccio One-Step è sviluppato per la semplice realizzazione di canali microfluidici con diverse sezioni trasversali geometriche attraverso processi sequenziali acquaforte bagnata di PDMS, che introduce il mordenzante in canali di pianificato monostrato layout incorporato in materiali PDMS. Rispetto ai metodi esistenti per la produzione di canali microfluidici PDMS con diverse geometrie, l'approccio sviluppato uno stadio è in grado di semplificare notevolmente il processo per fabbricare canali con sezioni non rettangolari o di varie altezze. Di conseguenza, la tecnica è un modo di costruire canali microfluidici complessi, che fornisce una soluzione di montaggio per l'avanzamento di sistemi microfluidici innovativi.
Introduction
Tecniche di microfluidica hanno attirato l'attenzione negli ultimi decenni a causa della loro vantaggi intrinseci per una varietà di applicazioni e ricerca biomedica e chimica. Diverse opzioni di utilizzo del materiale per la costruzione di chip microfluidici sono disponibili al giorno d'oggi, come polimeri, ceramica e materiali di silicio. Al meglio della nostra conoscenza, tra i materiali di microfluidica, PDMS è quella più comune grazie alle sue proprietà di materiale appropriato per vari microfluidica ricerca e applicazioni, comprese le sue compatibilità ottiche e biologici con particelle, fluidi e gli organismi viventi estremamente piccoli di1,2,3,4,5. Inoltre, le proprietà meccaniche chimica e struttura superficiale dei materiali PDMS possono essere regolate per facilitare studi microelettromeccanici e mechanobiological applicando tali dispositivi microfluidici basati su polimeri10, 11,12. Per quanto riguarda la produzione di dispositivi microfluidici con modelli di canale progettato, litografia soft replica stampaggio metodi sono applicati solitamente per creare i canali microfluidici utilizzando loro stampi master corrispondenti che sono composti da strati di photoresist fotolitografia-fantasia e silicon wafer substrati12. A causa della natura di approcci utilizzando wafer di silicio con strati di photoresist modellati del modanatura, i canali microfluidici comunemente hanno sezioni trasversali regolari di forme rettangolari con altezze identiche.
Recentemente, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi in studi biomedici che si occupano, per esempio, particelle ordinamento e celle utilizzando hydrophoresis, che separa il plasma sanguigno e arricchendo le cellule bianche del sangue applicando chip microfluidici con canali di diverse altezze o sezioni geometriche6,7,8,9. Tale selezione e separazione funzioni della microfluidica per applicazioni biomediche sono realizzati mediante la personalizzazione dei canali con diverse sezioni geometriche. Parecchi studi sono stati dedicati alla fabbricazione di canali microfluidici con sezioni trasversali delle caratteristiche di geometria diversa da fabbricare stampi master con specifici modelli di superficie di varie altezze o sezioni trasversali non rettangolare. Questi studi sulla fabbricazione della muffa includono tali tecniche come multi-step fotolitografia, riflusso di photoresist e scala di grigi Litografia13,14,15. Le tecniche esistenti comportano inevitabilmente, delle maschere finemente lavorate e un allineamento preciso nei processi di produzione multi-step, che sostanzialmente può migliorare i livelli di complessità di fabbricazione corrispondente dei canali microfluidici. Finora, parecchi tentativi sono stati fatti sui processi di fabbricazione unico passaggio per canali microfluidici di varie sezioni, ma le rispettive tecniche sono altamente limitate a forme specifiche della sezione trasversale di canali16.
Durante le due decadi scorse, oltre gli approcci di stampaggio per la realizzazione di PDMS canali microfluidici con varie sezioni, acquaforte tecniche per patterning canali PDMS con caratteristiche geometriche sono diventati la fabbricazione di scelta in una varietà di applicazioni di microfluidica. Per esempio, acquaforte bagnata PDMS è sfruttato con PDMS multi-strato di legame per la costruzione di un dispositivo di cultura cellulare ad azionamento pneumatico della microfluidica con ricostituito livello di organo polmone funzioni17. Sul bagnato PDMS incisione tecnica è impiegato insieme al casting di PDMS su cilindrici micropozzetti lavorati dai sistemi di controllo computerizzato per fabbricare 3D PDMS microneedle matrici18. Incisione a secco PDMS è usato per fare le microstrutture PDMS come parti di micro-elettromeccanici attuatori19,20. Membrane porose PDMS con poro progettato layout sono realizzate anche attraverso processi di incisione a secco21. Sia sul bagnato e le tecniche di incisione a secco possono essere integrate in patterning film PDMS con forme geometriche designato22.
Tuttavia, le tecniche di incisione per la formazione di PDMS canale strutture con sezione complesse forme comunemente non sono state applicate a causa delle loro intrinseche limitazioni sulla fabbricazione di microfluidica. In primo luogo, mentre le tecniche di attacco a umido PDMS utilizzando flussi laminari di sostanze chimiche per la creazione di canali microfluidici di varie sezioni sono state stabilite, la formazione di sezione canale successivo è ancora limitata a causa delle caratteristiche di base di incisione chimica isotropo elabora23. Inoltre, anche se sembra esserci abbastanza spazio per controllare le geometrie di sezione del canale in una montatura di microfluidica utilizzando l'asciutto PDMS acquaforte tecniche20, il tempo richiesto acquaforte è solitamente troppo lungo (in termini di ore) per essere pratico per la produzione di chip microfluidici. In aggiunta, la selettività di incisione tra materiali PDMS e il mascheramento corrispondente photoresist strati potrebbero essere bassi in generale, e le profondità acidate ha portate per i canali sono, quindi, non accettabile20.
In questa carta, sviluppiamo un approccio One-Step per fabbricare canali microfluidici di diverse sezioni trasversali geometriche di processi sequenziali acquaforte bagnata PDMS (in appresso denominato SWEP). La SWEP iniziano con un dispositivo microfluidico PDMS con canali mono-strato. Con disegni assortiti layout dei canali, fabbricando canali microfluidici con diverse sezioni geometriche di vario genere può essere raggiunto attraverso processi acquaforte sequenziale. L'acquaforte sequenza deve solo un mordenzante ad essere introdotti in canali specifici dei layout pianificato monostrato incorporato in materiali PDMS. Rispetto ai processi convenzionali di fabbricazione PDMS, la SWEP richiedono solo un passo avanti per fabbricare canali microfluidici delle sezioni non rettangolari o varie altezze. La SWEP proposte consentono di fabbricare canali microfluidici con varie sezioni lungo la direzione del flusso, che può semplificare notevolmente i processi in metodi di cui sopra in modo diretto e semplice.
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Protocol
1. fabbricazione di dispositivi microfluidici con strato singolo canale layout
Nota: In questa carta, la litografia soft metodo3 è adottata per la realizzazione di dispositivi microfluidici costituiti da materiali PDMS, per dimostrare come per la fabbricazione di canali con varie sezioni.
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Creazione di stampi master per un livello PDMS con caratteristiche di topologia progettata
- Progettazione layout di canale su un livello PDMS per un singolo processo di incisione o acquaforte in sequenza.
- Disegnare le caratteristiche di topologia invertito dello strato PDMS progettato utilizzando un programma di disegno CAD.
- Consegnare il file schizzo a un centro di fotolitografia per ottenere un photomask modellato con le caratteristiche di alta precisione invertito topologia dei layout canale stampato su una trasparenza24.
- Utilizzare alcool isopropilico (2-propanolo (IPA), ≥ 99.9%), acetone (Propan-2-one, ≥ 99.5%) e ossido tamponata etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) sulla superficie di un wafer di silicio da 4 pollici per rimuovere polvere e residui ed evitare contaminazioni.
- Utilizzare circa 500 mL di acqua deionizzata per lavare la lastra di silicio per una lucidatura finale e quindi applicare il gas di azoto per asciugare la cialda risciacquata.
- Posizionare un photoresist tono negativo di circa 20 g sul wafer. Poi giro cappotto la cialda a 500 giri/min per 15 s e 2.000 rpm per 30 s a produrre uno strato di photoresist di circa 75 µm di spessore.
Nota: Photoresist diversi spessori possono essere ottenuti utilizzando i photoresists tono negativo con numeri di prodotti diversi e con diversi spin-coating, cottura e condizioni di sviluppo, secondo l'utente manuali25,26. - Morbido e cuocere la cialda riscaldandolo su una piastra riscaldante a 65 ° C per 3 min e poi a 95 ° C per 9 min.
- Messo la cialda in una macchina di aligner photomask insieme con la trasparenza modellata dal punto 1.1.3 come una maschera.
- Nella macchina aligner, applicare la luce ultravioletta (UV) a 300 mJ/cm2 per esporre la cialda coperta dalla trasparenza.
- Dopo l'esposizione alla luce UV, posizionare la cialda su una piastra riscaldante a 65 ° C per 2 min e poi a 95 ° C per 7 min come cuocere la post-esposizione (PEB).
- In seguito la crepa, fortemente agitare il wafer immerso in uno sviluppatore di photoresist tono negativo, o mettere il wafer immerso in un bagno ad ultrasuoni (37 kHz, efficace potenza di 180 W) per 7 min.
- Pulire la cialda intera nuovo con alcool isopropilico per eliminare qualsiasi sviluppatore rimanendo sulla superficie del wafer.
- Per evitare indesiderate incollaggio, silanizzare la superficie del wafer mettendo la cialda con 100 µ l di 97% Silano (1H, 1H, 2H, 2H- perfluottani-triclorosilano) in una capsula di Petri in un essiccatore di 6 cm.
- Collegare un essiccatore a una pompa a vuoto e regolare la pressione di vuoto a 760 mmHg.
- Successivamente, accendere la pompa per 15 min. Switch off e poi lasciare la cialda per riposare in un vuoto in un essiccatore per 30 min.
Attenzione: Il silano evaporato è estremamente dannoso per gli esseri umani; così, la passivazione superficiale intero wafer deve essere svolta in una cappa aspirante. - Recuperare la cialda silanizzata, che era in fase di passivazione superficiale. Difficoltà la cialda in un 15cm di Petri per ulteriore uso.
Nota: La cialda di fantasia è pronta per essere utilizzato come uno stampo per replicare i layout progettato canale inversamente da materiali PDMS.
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Realizzazione di layout canale PDMS replicando la topologia invertita sugli stampi
- Mettere la base PDMS (monomero) insieme con il corrispondente catalizzatore (catalizzatore) a un rapporto volumetrico di 10:1 in una tazza di plastica pulita e monouso.
- Mescolare la miscela prepolimero PDMS (dal punto 1.2.1) in modo omogeneo utilizzando un agitatore di potenza.
- Metti la tazza in un essiccatore collegato alla pompa del vuoto per 60 min per rimuovere eventuali bolle intrappolate nella miscela PDMS.
- Versare 20 g (per la sezione 2) o 8 g (per la sezione 3) della miscela prepolimero PDMS in cima al forgi master (effettuata nel passaggio 1.1) con le caratteristiche di topologia invertito dei layout progettato canale e quindi eliminare tutte le bolle possibili incorporate nei materiali PDMS utilizzando t essiccatore di lui (per 60 min).
- Mettere lo stampo portando la miscela PDMS in forno a 60 ° C per 4 h curare i materiali prepolimero liquidi a base di silicone.
- Dopo il raffreddamento la cialda con il PDMS a temperatura ambiente per circa 20 min, staccare il PDMS curata dallo stampo con un bisturi e pinzette.
- Adattare il livello PDMS indipendente ad un covering di zona (circa 6 x 6 cm2 per sezione 2 o 2 x 7,5 cm2 per sezione 3) i layout di intero canale usando un bisturi.
- Creare porte di accesso del canale (ingressi e uscite) utilizzando un pugno di biopsia di 1,5 mm di diametro.
Nota: I numeri e le posizioni degli ingressi e delle uscite sono progettate basata sui processi di incisione per la realizzazione di canali microfluidici specifici. - Versare 30 g della miscela prepolimero PDMS in una capsula Petri e quindi eliminare tutte le bolle possibili incorporate nei materiali PDMS utilizzando un essiccatore (per 60 min).
- Mettere la capsula di Petri portando la miscela PDMS in forno a 60 ° C per più di 4 h curare i materiali liquidi prepolimero.
- Dopo il raffreddamento di Petri insieme il PDMS a temperatura ambiente per circa 20 min, staccare il PDMS curata dal piatto con un bisturi e pinzette.
- Usando un bisturi, adattare il livello PDMS indipendente senza alcune caratteristiche di dimensioni uguali a quelli del suddetto livello PDMS (circa 6 x 6 cm2 per sezione 2 o 2 x 7,5 cm2 per sezione 3).
- Attivare le superfici di entrambi gli strati PDMS (fatti in passaggi 1.2.7 e 1.2.12) con il layout del canale progettato e senza funzionalità esponendo i materiali PDMS superiori al plasma di ossigeno in una macchina di trattamento di superficie a 90 W per 40 s.
- Bond il 2 PDMS strati facendo contatto tra le superfici trattate subito dopo l'attivazione superficiale al plasma di ossigeno. Quindi, lasciare gli strati PDMS in forno a 60 ° C per più di 30 min.
Nota: Non c'è nessun limite di tempo per lasciare gli strati PDMS in forno. - Dopo il 2 legato PDMS strati si sono raffreddate, tagliare i materiali in eccesso PDMS dal dispositivo fabbricato per una struttura sperimentale più tardi.
2. l'approccio di uno stadio a fabbricare canali microfluidici PDMS delle diverse sezioni
Nota: Un dispositivo microfluidico con un canale singolo strato e diritto di forme rettangolari per caratterizzare il PDMS bagnato tasso acquaforte, è suggerito per essere sfruttata per l'identificazione di specifici acquaforte tariffe corrispondenti a determinate impostazioni sperimentali.
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Caratterizzazione sperimentale di PDMS attacco a umido
- Preparare una soluzione mordenzante con fluoruro di tetra-n-butylammonium (TBAF, una soluzione 1 M in tetraidrofurano (THF)) con 1-metil-2-pirrolidinone (NMP) ad un tasso di v: v = 01:10.
Nota: NMP è in grado di sciogliere efficacemente residui chimici indotti dai mordenzanti. In generale, materiali PDMS sono gonfie marginalmente dal NMP, e i dispositivi microfluidici PDMS sono ancora in grado di preservare le loro forme, volumi e le condizioni della guarnizione. - Disegnare il etchants TBAF/NMP misto in una siringa da 10 mL collegata ad un ago smussato inox (16 G).
- Installare una pompa a siringa come un controller dei fluidi basati su pressione nei canali.
- Collegare gli smussato aghi delle siringhe riempite con la soluzione mordenzante al porto canale del suddetto dispositivo semplice e guida la porta interessata dalla presa di tubatura a un contenitore per rifiuti, come mostrato nella Figura 1.
- Eseguire la pompa a siringa che trasportano le siringhe contenenti la soluzione mordenzante TBAF/NMP mista ad una 150 µ l/min di portata per caratterizzare il PDMS attacco a umido.
- Utilizzare viste al microscopio luminoso-campo e assicurarsi che il canale inciso lungo la direzione di flusso ha una larghezza uniforme, per confermare di conseguenza che il volume della miscela dei mordenzanti e la portata di mordenzante sono adeguate.
- Catturare le immagini di serie temporali del canale sezione trasversale sotto un microscopio invertito con un ingrandimento 4x durante il processo di incisione di PDMS.
- Analizzare le immagini memorizzate applicando la funzione di misura di base in un'analisi 2D del programma di elaborazione immagini per raccogliere una sequenza temporale di numeri per la larghezza del canale durante il bagnato mordenzatura dei materiali PDMS.
- Valutare i tassi di acquaforte di serie temporali attraverso l'equazione mostrata nella Figura 2, che sta dividendo il 50% della variazione di larghezza di canale (ΔW / 2) per la durata dell'acquaforte PDMS (t).
- Eseguire una regressione lineare dei punti dati raccolti per stimare un complessivo pari acquaforte il etchants TBAF/NMP misto con il volume specifico della miscela di 01:10 per i materiali PDMS come mostrato nella Figura 2.
- Preparare una soluzione mordenzante con fluoruro di tetra-n-butylammonium (TBAF, una soluzione 1 M in tetraidrofurano (THF)) con 1-metil-2-pirrolidinone (NMP) ad un tasso di v: v = 01:10.
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PDMS sequenziale bagnato acquaforte per la realizzazione di canali microfluidici di diverse sezioni geometriche
- Progettare un arrangiamento di mordenzante insenature per il layout di canale PDMS monostrato che serve il corrispondente acquaforte processi in sequenza, così che può essere fabbricato un tipo di canale specifico delle diverse forme della sezione trasversale come mostrato nella Figura 3 .
- Seguire le procedure descritte nei passaggi 2.1.1 - 2.1.7 per il bagnato PDMS acquaforte approccio.
Nota: La portata viene impostata come 50 μL/min. - Mentre il TBAF/NMP etchants stanno fluendo, ispezionare i canali incisi sotto il microscopio per vedere se esistono problemi significativi come una notevole quantità di bolle, un residuo di diversi residui chimici indotti da mordenzanti, una perdita di mordenzanti, o un flusso di etchants su un piano inclinato.
- Osservare la variazione di spessore parete canale microfluidico microscopio invertito e tempo sul bagnato mordenzatura per garantire il che raggiungono le geometrie di canale corretto.
3. la progettazione di un Mixer di microfluidica
Nota: Un design del miscelatore microfluidici che possa efficacemente mescolare 2 fluidi dissimili è dimostrato qui per mostrare un'applicazione vantaggiosa di canali microfluidici con diverse sezioni.
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Fabbricazione di un mixer di microfluidica con sezioni di canale diverso
- Fare un dispositivo PDMS con un canale singolo strato microfluidic del progetto illustrato nella Figura 4 dalla replica di litografia soft stampaggio tecnica (sezione 2).
- Nel layout di canale singolo strato microfluidica, introdurre la soluzione mordenzante TBAF/NMP preparata seguendo le procedure descritte al punto 2.1.1 dal porto contrassegnato come "presa" con una portata di 20 µ l/min in Figura 4.
- Osservare la variazione di spessore parete canale microfluidico sotto il microscopio e tempo sul bagnato mordenzatura per garantire il raggiungono le geometrie di canale corretto come rappresentato in Figura 5 .
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Caratterizzazione sperimentale del mixer microfluidica
- Dopo il canale microfluidico con sezioni di forma diversa in modo alternato è realizzato, fluidi dissimili pompa 2, incluso una soluzione di fluoresceina sodica avendo una concentrazione di 50 µ g/mL di sale e acqua distillata in 2 canali separati a un 20 µ l/min tasso di flusso.
- Prendere la fluorescenza immagini al microscopio del canale nella vista superiore alle posizioni contrassegnate come A, B, C e D sotto un microscopio invertito (ingrandimento 4x) per i 2 miscelatori con uniforme (prima acquaforte) e diversi geometrico sezioni (dopo 2 h di SWEP), rispettivamente ( Figura 6).
Nota: Le immagini del microscopio di fluorescenza sono presi mentre i flussi stabili verificano, nel punto di tempo di 5 min, contato dai momenti di inizio della miscelazione attraverso i canali del mixer. - Analizzare le immagini fluorescenti catturate utilizzando un programma di elaborazione grafica per stimare i corrispondenti numeri di efficienza che sono definiti dalla miscelazione residuo di miscelazione (MR, 0,5 = non miscelati, 0 = completamente misto) nell' equazione seguente27, 28:
Qui,
t è il tempo di incisione,
L è la larghezza del canale in una certa posizione di interesse,
S è un segmento di linea attraverso il canale nella posizione, e
I è la distribuzione di intensità di fluorescenza oltre S a t. - Tracciare la distribuzione dell'intensità di fluorescenza nel S attraverso il canale alle posizioni contrassegnate come A, B, C e D per i 2 miscelatori con uniforme (prima acquaforte) e diversi geometrico sezioni (dopo 2 h di SWEP), rispettivamente. Stimare il signor corrispondenti come illustrato nella Figura 6.
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Representative Results
Recentemente, un gran numero di studi è stato apportato sulla fabbricazione di dispositivi microfluidici con canali di diverse sezioni dalla replica di Litografia stampaggio13,14,15 e PDMS acquaforte tecniche17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. Tuttavia, esistono ancora notevoli limitazioni di patterning forme e difficoltà con fabbricazione operazioni16,23. In questa carta, viene proposto un approccio One-Step a fabbricare canali microfluidici PDMS di diverse sezioni geometriche di SWEP.
Figura 1 schematicamente vengono visualizzati la microfluidica layout strato singolo canale per la creazione di canali PDMS delle diverse sezioni di SWEP e la messa a punto sperimentale del sistema associato della tubazione. NMP è un buffer utilizzato per gli esperimenti SWEP, come mostrato in Figura 1a e 1b. Negli esperimenti SWEP, è importante scegliere un solvente adeguato per eliminare i prodotti di incisione nei canali per mantenere flussi laminari sfruttati dai processi acquaforte. Di conseguenza, il buffer NMP è scelto come il solvente per sciogliere efficacemente i prodotti della SWEP22,23.
I canali incisi sono anche pieni di coloranti alimentari blu per dimostrare l'evoluzione delle sezioni canale all'interno del dispositivo microfluidico. Organizzando mordenzante insenature del modello progettato strato singolo canale, sezioni del canale microfluidico con varie caratteristiche di geometria dei generi differenti possono essere ottenuti attraverso la SWEP come dimostrato nella Figura 3.
Per caratterizzare il PDMS bagnato acquaforte, un dispositivo microfluidico con un solo strato e canale rettilineo di forme rettangolari è sfruttato per l'identificazione di un complessivo pari acquaforte il etchants TBAF/NMP misto con un rapporto di miscelazione di volume specifico per il PDMS materiali. Dalla regressione lineare dei punti dati raccolti le variazioni di larghezza di canale per quanto riguarda alcune acquaforte volte, il totale tasso acquaforte della soluzione mordenzante è valutata sperimentalmente come 2.714 µm/min (Figura 2).
In canali microfluidici con sezioni trasversali uniformi, fluidi scorrono principalmente lungo le pareti del canale, che sopprimono i contatti casuali tra particelle di sostanza; di conseguenza, miscelazione fluido guidato da diffusione solitamente avviene attraverso canali particolarmente lunghe. Di conseguenza, canali microfluidici di diverse sezioni geometriche sono previsti per facilitare la miscelazione fluido con l'aiuto di movimenti fluidi laterali sopra sezioni di canale. In questo studio, un design del miscelatore microfluidica (Figura 4) dove due fluidi dissimili in modo efficiente sono mescolati è dimostrato qui per la presentazione di una sola applicazione vantaggiosa di canali microfluidici con diverse sezioni. Figura 5 presenta le immagini di serie temporali del canale del mixer microfluidici fabbricati dalla SWEP utilizzando materiali PDMS in vista superiore all'acquaforte fasi di h 0, 0,25 h, 0,40 h, h 0,55, 0,70 h, h 1,00 e 2,00 h in sequenza.
Dopo la microfluidica è realizzato canale con sezioni di forma diversa in modo alternato e due fluidi dissimili, incluso una soluzione di acqua salata e acqua distillata di sodio della fluorescina sono successivamente pompati in due canali distinti, fluorescenza immagini al microscopio del canale in vista superiore alle posizioni contrassegnate come A, B, C e D sono catturati sotto un microscopio invertito per i due mixer con uniforme (prima acquaforte) e diverse sezioni geometriche (dopo 2 h di SWEP), rispettivamente (Figura 6). Queste immagini sono prese mentre si verificano flussi stabili, presso il punto di tempo di 5 min, contato dai momenti di inizio della miscelazione attraverso i canali del mixer. Quindi, queste immagini del microscopio di fluorescenza vengono recapitate a un programma automatizzato sviluppato in questo studio per estrarre i numeri corrispondenti del signor che rappresenta l'efficienza di miscelazione del miscelatore.
Prima del processo di incisione, il canale del mixer con un layout di canale serpeggiante aveva identiche sezioni trasversali di forma rettangolare. A causa della lunghezza di canale sufficiente necessaria per i meccanismi di diffusione, il mixer di microfluidica è un elemento essenziale di miscelazione efficienza rappresentato da 0.4607, 0,3403, 0.2450 e 0,1940 signor numeri al punto A, le posizioni B, C e D, rispettivamente. Dopo 2 h di SWEP, con una lunghezza di canale totale uguale a quella originale, il mixer di microfluidica ha sezioni di canale di forme diverse in modo alternato. È importante che il mixer con le sezioni di canale diverso fornisce un profondo aumento in miscelazione efficienza, rappresentato diminuendo notevolmente il signor numeri di 0.3875, 0,1915, 0.1336 e 0.0680 al punto A, B, C e D posizioni, rispettivamente, a causa di liquido laterale movimenti che portano all'avvezione oltre ai meccanismi di diffusione. Inoltre, dalla posizione B - D, tali meccanismi di avvezione che si verificano sul risultato di sezioni di canale in un apparente e uniforme aumentano l'efficienza di miscelazione del miscelatore fabbricato dalla SWEP.
Figura 1: set-up della tubazione sui formati monostrato canali microfluidici per creare i canali PDMS delle diverse sezioni trasversali geometriche di processi sequenziali acquaforte bagnata (SWEP). (un) questo schema mostra i dispositivi microfluidici con canali mono-strato. Lo strato superiore è fabbricato con PDMS di disegni multipli di canale per le disposizioni di ingresso mordenzante bagnato. Lo strato inferiore è composto di PDMS con un modello vuoto. (Top: ingresso di un mordenzante; medio: due insenature di mordenzante.) Il fondo è lo stampo per la fabbricazione di strato superiore. (b) questi pannelli mostrano il dispositivo assemblato per la realizzazione di canali di diverse sezioni. La larghezza dei canali e lo spessore delle pareti sono 50 µm e 100 µm, rispettivamente. (c) questi pannelli mostrano le foto sperimentale dei set-up della tubazione sui layout monostrato canali microfluidici per la SWEP. (Riga superiore: un mordenzante ingresso; riga inferiore: due insenature di mordenzante.) Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: caratterizzazione di PDMS bagnato acquaforte. Questa figura mostra la regressione lineare del canale raccolto mezza larghezza modifiche rispetto ai tempi di incisione per la stima complessiva pari acquaforte il etchants TBAF/NMP misto con uno specifico rapporto di miscelazione in volume per i materiali PDMS. [L'inserto è un disegno schematico della geometria della sezione trasversale di un modello di canale semplice e dritto per caratterizzare il comportamento sul bagnato acquaforte tariffe dei materiali PDMS. Il totale tasso di acquaforte di TBAF/NMP (v: v = 01:10) è 2.714 µm/min e la corrispondente R2 (coefficiente di determinazione) è 0.9913.] Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: fabbricato canali microfluidici di diverse sezioni geometriche da sequenza attacco a umido PDMS. Questi pannelli mostrano varie disposizioni delle insenature di mordenzante per layout di canale PDMS monostrato che serve il corrispondente acquaforte processi in sequenza per la realizzazione di tipi di canale particolare delle diverse forme della sezione trasversale come (un) a forma di croce, (b) a forma di manubrio e (c) geometrie di sezione trasversale a forma di campana. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: fabbricato microfluidici miscelatori che utilizzano canali con diverse sezioni. (un) questo pannello è un disegno di un layout di strato singolo canale per la realizzazione di un mixer di microfluidica che utilizzano canali con diverse sezioni. La parte inferiore mostra lo stampo per la fabbricazione di canale singolo strato. (b) questi pannelli mostrano la scansione tile immagini al microscopio del canale del mixer tutto prima e dopo 1 e 2 h di PDMS bagnato acquaforte. (c) questi pannelli mostrano immagini di campo luminoso sperimentale del mixer sezioni del canale che sono fabbricati da 1 e 2 h di PDMS bagnato acquaforte in un top view (riga superiore), in vista di taglio perpendicolare alla direzione di flusso lungo la x-asse (seconda dalla in alto) e in una vista di sezione presso il taglio di un (terzo dalla parte superiore) e B-B tagliare posizioni (riga inferiore). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: immagini di serie temporali di microfluidica mixer canali di diverse sezioni fabbricati da acquaforte bagnata sequenza dei materiali PDMS. (un) questo pannello mostra lo schema di un layout di strato singolo canale per la realizzazione di un mixer di microfluidica con sezioni di canale diverso. (b) queste immagini del microscopio pannelli spettacoli del canale del mixer in un top Mostra in ogni incisione fasi in sequenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: caratterizzazione del mixer microfluidici fabbricati da sequenza attacco a umido PDMS. (a) questi pannelli mostrano fluorescenza immagini al microscopio del canale del mixer alle posizioni contrassegnate come A, B, C e D prima di introdurre mordenzanti e a 2 h bagnato acquaforte dei materiali PDMS. (b) questi pannelli mostrano campi di intensità di fluorescenza misurata ha presentati in una coordinata normalizzata attraverso il canale del mixer nelle posizioni A, B, C e D prima (in alto) e a 2 h di attacco a umido PDMS (al centro). Viene inoltre illustrato il signor analizzati che rappresenta l'efficienza di miscelazione del miscelatore (0,5: non mescolate, 0: completamente mescolato) alle varie posizioni di canale prima e a 2 h di incisione (in basso). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Negli ultimi decenni, microfluidica ha offerto mezzo promettente che piattaforme sperimentali per la ricerca biomedica e chimica possono essere costruito sistematicamente1,2,3,4, 5. Le piattaforme hanno presentato le loro capacità di indagare diverse funzioni cellulari in vivo in condizioni fisiologiche microambiente via in vitro delle cellule studi6,7, 8 , 9. nella ricerca sperimentale e relative applicazioni, la maggior parte del canale sezioni trasversali di microfluidic dispositivi sono uniformi e forma rettangolare. In tali dispositivi microfluidici, le strutture di canale giocano un ruolo importante nelle condizioni microambiente. Ad esempio, durante l'utilizzo di microfluidica come un apparato per il drug delivery, un controllo passivo sopra tale trasporto chimico è modulato da tuning portata nel canale rettangolare di sezione trasversale standard geometria29. Per una distribuzione di flusso desiderato del trasporto sostanza sopra la scanalatura lungo la direzione del flusso, possono essere necessario canali microfluidici con diverse sezioni geometriche sotto un assetto di tasso di flusso volumetrico nel complesso. Un considerevole numero di studi hanno fatto alcuni passi importanti per fabbricare tali chip con canali desiderati con diverse sezioni, tra cui la costruzione di stampi master con particolari modelli di superficie di varie altezze o croce non rettangolare sezioni13,14,15 e PDMS acquaforte tecniche per la creazione di superfici con caratteristiche geometriche17,18,19,20 , 21 , 22. Tuttavia, questi sforzi non solo coinvolgono complessi processi produttivi ma anche sono limitati a forme specifiche della sezione trasversale di canali16,23.
In questa carta, un approccio One-Step per creare canali PDMS con varie sezioni è avanzato dall'introduzione di mordenzante in specifici canali di pianificato monostrato layout incorporati nei materiali PDMS in modo semplice e coerenza. Inoltre, i processi acquaforte bagnata sequenziale isotropo di formare canali con diverse forme della sezione trasversale vengono verificati usando calcolo numerico iterativo30. A quanto pare, è difficile fabbricare geometrie sezione canale con angoli acuti a causa della rimozione isotropica del materiale PDMS durante sul bagnato sequenziale processi di incisione. Nelle applicazioni pratiche, il controllo preciso sopra le geometrie di fabbricato sezione di canali microfluidici richiede un'accurata caratterizzazione delle tariffe acquaforte PDMS bagnato e attenti arrangiamenti di confi gurazione di sistema associato della tubazione. Rispetto ai metodi esistenti per la produzione di canali microfluidici PDMS con diverse geometrie, l'approccio sviluppato uno stadio è in grado di semplificare notevolmente i processi di fabbricazione di canali con sezioni non rettangolari o di varie altezze. Di conseguenza, la tecnica sviluppata fornisce un modo di costruire canali microfluidici complessa che possono portare allo sviluppo di sistemi microfluidici innovativi per varie applicazioni.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da dichiarare.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno fornito da istituti nazionali per la ricerca salute (vi) in Taiwan sotto l'innovativa ricerca Grant (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan Ministero di scienza e tecnologia (più 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) e l'Academia Sinica Career Development Award. Gli autori vorrei ringraziare Heng-Hua Hsu per la correzione del manoscritto.
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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