Summary
Kanalları polydimethylsiloxane mikrosıvısal aygıt içinde gömülü dikdörtgen olmayan bölümlerin imalatı için çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bunların çoğu multistep üretim ve geniş hizalama içerir. Bu yazıda, bir tek adımlı yaklaşım farklı geometrik kesitleri mikrosıvısal kanal imalatı için polydimethylsiloxane sıralı ıslak gravür tarafından bildirilmektedir.
Abstract
POLYDİMETHYLSİLOXANE (PDMS) malzemeler yumuşak litografi yineleme döküm teknikleri kullanarak mikrosıvısal cihazları imal etmek önemli ölçüde istismar değildir. Özelleştirilmiş kanal düzeni tasarımlar belirli işlevleri ve çok sayıda biyomedikal ve kimyasal uygulamalar (Örneğin, hücre kültürü, biosensing, kimyasal sentez ve sıvı işleme) mikrosıvısal cihazların entegre performans için gereklidir. Fotorezist katmanlarla tarafından fotolitografi ana kalıpları desenli silikon gofret kullanarak yaklaşımlar kalıplama doğası nedeniyle, mikrosıvısal kanalları genellikle düzenli kesitleri aynı yükseklikleri ile dikdörtgen şekiller var. Genellikle, birden çok yüksekten veya farklı geometrik bölümleri ile kanalları belirli işlevleri sahip olmak ve çeşitli mikrosıvısal uygulamaları gerçekleştirmek için tasarlanmıştır (Örneğin, hydrophoresis kullanılan parçacıklar sıralama ve sürekli akışları için «««ayıran) kan hücreleri6,7,8,9. Bu nedenle, büyük bir çaba birkaç fotorezist katmanları ve farklı PDMS Meclisi kullanarak fotolitografi yaprak ince gibi kanalları çok adımlı yaklaşım yoluyla çeşitli bölümleri ile inşa içinde yapılmıştır. Yine de, böyle çok adımlı yaklaşımlar genellikle sıkıcı yordamlar ve geniş araçları içerir. Ayrıca, uydurma cihazlar sürekli olarak gerçekleştirebilir değil ve sonuçlandı deneysel veriler öngörülemeyen olabilir. Burada, bir tek adımlı yaklaşım etchant planlı tek katmanlı düzenleri kanallarına tanıttı basit fabrikasyon mikrosıvısal kanal PDMS sıralı ıslak gravür süreçlerle farklı geometrik kesitleri ile geliştirilmiştir PDMS malzemelerinde gömülü. PDMS mikrosıvısal kanalları ile farklı geometriler üretimi için varolan yöntemleri ile karşılaştırıldığında, geliştirilmiş tek adımlı yaklaşım kanalları dikdörtgen olmayan bölümleri veya çeşitli yükseklikleri ile imal etmek işlemini önemli ölçüde basitleştirmek. Sonuç olarak, teknik yenilikçi mikrosıvısal sistemleri ilerlemesi için bir imalat çözümü sağlayan karmaşık mikrosıvısal kanalları, inşa bir yoludur.
Introduction
Mikrosıvısal teknikleri çizilmiş dikkat son on yıl içinde nedeniyle çeşitli kimyasal ve Biyomedikal araştırma ve uygulamaları için kendi içsel avantajları var. Günümüzde, polimerler, seramik ve silikon malzemeleri gibi mikrosıvısal çip oluşturmak için birkaç malzeme kullanımı seçenekleri kullanılabilir. Mikrosıvısal malzemeleri arasında bizim bilgimize için PDMS çeşitli Havacilik araştırma ve uygulamalar parçacıkları ile onun optik ve biyolojik uyumlulukları dahil olmak üzere, uygun malzeme özellikleri nedeniyle en yaygın olanıdır, sıvı ve son derece küçük canlıların1,2,3,4,5. Ayrıca, PDMS malzemelerin yüzey kimyasal ve yapısı mekanik özelliklerini Mikroelektromekanik ve mechanobiological çalışmaları böyle mikrosıvısal polimer tabanlı cihazlar10, uygulayarak kolaylaştırmak için ayarlanabilir 11,12. Mikrosıvısal aygıtları tasarlanmış kanal desenleri ile üretim ile ilgili olarak, yumuşak litografi yineleme döküm yöntemleri genellikle oluşur kendi karşılık gelen ana kalıpları kullanarak mikrosıvısal kanalları oluşturmak için uygulanır fotolitografi desenli fotorezist katmanları ve silikon gofret yüzeylerde12. Silikon gofret desenli fotorezist katmanları ile kullanma yaklaşımlar kalıplama doğası nedeniyle, mikrosıvısal kanalları genellikle düzenli kesitleri aynı yükseklikleri ile dikdörtgen şekiller var.
Son zamanlarda, araştırmacılar, örneğin baş Biyomedikal araştırmalar, sıralama parçacıklar ve hydrophoresis kullanarak, kan plazması ayıran ve beyaz kan hücreleri mikrosıvısal çip kanal uygulayarak zenginleştirici hücreleri önemli bir ilerleme yaptık farklı yükseklikte veya geometrik bölümleri6,7,8,9. Bu sıralama ve havacilik biyomedikal uygulamalar için fonksiyonları ayıran kanalları farklı geometrik bölümleri ile özelleştirme tarafından gerçekleştirilmektedir. Çeşitli çalışmalarda mikrosıvısal kanalları imalatında kesitleri farklı geometri özellikleri ile için çeşitli yükseklikte veya dikdörtgen olmayan kesit belirli yüzey desenleri ile ana kalıpları imalatı tarafından tahsis edilmiştir. Kalıp imalat bu çalışmalar çok adım fotolitografi, fotorezist yeniden akıtma ve gri ölçekli litografi13,14,15bu tür teknikler içerir. Kaçınılmaz olarak, varolan teknikleri ince hazırlanmış photomasks veya hassas bir uyum içinde karşılık gelen fabrikasyon mikrosıvısal kanal karmaşıklık düzeyi önemli ölçüde artırabilir çok adımlı üretim süreçleri içerir. Şimdiye kadar birkaç denemeden tek adım üretim süreçleri mikrosıvısal kanallar çeşitli bölümler için yapılmış ancak ilgili teknikleri son derece belirli kesitsel kanal16şekillere kısıtlanır.
Son iki yılda PDMS imalatı için kalıplama yaklaşımlar yanı sıra mikrosıvısal kanalları çeşitli bölümleri, PDMS kanalları ile geometrik şekil desenlendirme tekniklerini aşındırma ile seçim çeşitli imalatı olmuştur mikrosıvısal uygulamaları. Örneğin, PDMS ıslak gravür çok katmanlı PDMS Havacilik Sulandırılan organ düzeyinde akciğer fonksiyonları17ile Pnömatik Aktuatörlü hücre kültür cihazın oluşturmak için bağ birlikte istismar edilir. Aşındırma tekniği PDMS ıslak PDMS döküm silindirik microwells 3D PDMS microneedle diziler18imalatı için bilgisayar destekli kontrol sistemleri tarafından işlenmiş üzerinde birlikte istihdam edilmektedir. PDMS kuru gravür PDMS microstructures mikro elektromekanik aktüatörler19,20parça yapmak için kullanılır. Gözenekli PDMS Membranlar ile tasarlanmış gözenek düzenleri de kuru gravür işlemleri21' den imal edilmiştir. Hem ıslak hem de kuru gravür teknikleri PDMS filmleri belirlenen geometrik şekiller22ile biçimlenme içine entegre edilebilir.
Ancak, PDMS şekillendirme için oyma teknikleri yapıları şekiller sık mikrosıvısal imalat iç onların sınırlamalar nedeniyle uygulanmadı karmaşık bölümüyle kanal. Laminer akımları çeşitli bölümlerin mikrosıvısal kanalları oluşturmak için kimyasal kullanan PDMS ıslak gravür teknikleri kurduk, ilk olarak, sonraki kanal bölümü oluşumu temel özellikleri nedeniyle hala sınırlı iken izotropik kimyasal aşındırma23işler. Gibi görünüyor bile kanal bölümü geometrileri teknikleri20aşındırma PDMS kuru kullanarak Havacilik uydurma içinde kontrol etmek için makul boş alanı Ayrıca, gerekli gravür zaman genellikle olmak (saat açısından) çok uzun olsa da, mikrosıvısal çip üretimi için pratik. Buna ek olarak, gravür seçicilik PDMS malzeme ve karşılık gelen maskeleme arasında içinde fotorezist katmanları genel olarak düşük olabilir, ve sonuçlandı kazınmış denizin kanallar için böylece, kabul edilebilir20değildir.
Bu yazıda, farklı geometrik kesitleri kanallarının mikrosıvısal PDMS sıralı ıslak gravür işlemler (bundan sonra SWEP anılacaktır) tarafından imal etmek bir tek adımlı yaklaşım geliştirmek. SWEP PDMS mikrosıvısal aygıtı tek katmanlı kanalları ile başlar. Kanallar çeşitli düzen tasarımlarıyla mikrosıvısal kanalları çeşitli farklı geometrik bölümleri ile imalatı sıralı oyma işlemleri elde edilebilir. Sıralı gravür PDMS malzemelerinde gömülü planlı tek katmanlı düzenlerden belirli kanalları içine tanıştırmak için bir etchant yeterlidir. Geleneksel PDMS imalat işlemleri için karşılaştırıldığında, SWEP gerektiren sadece mikrosıvısal kanalının bir dikdörtgen olmayan bölümler imal etmek bir adım veya çeşitli yükseklikleri. Önerilen SWEP mikrosıvısal kanalları çeşitli bölümleri boyunca söz konusu yöntemleri süreçlerinde önemli ölçüde basitleştirebilir akış yönü ile imalatı, doğrudan ve basit bir yol sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. tek katmanlı kanal düzenleri aygıtlarla mikrosıvısal imalatı
Not: Bu yazıda, yumuşak litografi Yöntem3 kanalları çeşitli bölümleri ile üretimi nasıl göstermek için PDMS malzemelerden yapılmış mikrosıvısal cihazları imalatı için kabul edilir.
-
Ana kalıp PDMS katmanının tasarlanmış topoloji özellikleri ile oluşturma
- Sırayla tek bir işlem aşındırma veya gravür için PDMS katmandaki kanal mizanpajlar tasarlayın.
- Bilgisayar destekli çizim programı kullanarak tasarlanmış PDMS katman ters topoloji özelliklerini kroki.
- Desenli photomask saydamlık24tarihinde basılan kanal düzenleri yüksek hassasiyetli ters topoloji özelliklerini elde etmek için bir fotolitografi tesise kroki dosya teslim.
- Kullanım izopropil alkol (2-Propanol (IPA), ≥ % 99.9), aseton (Propan-2-bir, ≥ % 99.5) ve tamponlu oksit etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) herhangi bir toz veya kalanlar kaldırmak ve contaminations önlemek için 4 inçlik silikon gofret yüzeylerde.
- Bir final parlatma için silikon gofret yıkamak için yaklaşık 500 mL deiyonize su kullanın ve azot gazı durulanır Gofret makinası uygulayın.
- Yaklaşık 20 g olumsuz sesi fotorezist gofret yerleştirin. Spin kat sonra gofret için 15 s 500 devir/dakika ve 30 2000 d/d civarında 75 µm fotorezist tabakası kalınlığı üretmek için s.
Not: Farklı fotorezist kalınlıkları olumsuz sesi photoresists ve farklı spin kaplama, pişirme ve gelişme koşulları, farklı ürün numaraları ile kullanılarak göre Kullanıcı kılavuzları25,26elde edilebilir. - Yumuşak gofret bir Pinar 65 ° C 3 dakika ve daha sonra 9 min için 95 ° C üzerinde Isıtma tarafından pişirin.
- Gofret desenli şeffaflık ile birlikte bir photomask aligner makine--dan adım 1.1.3 maske olarak koyun.
- Aligner makine ultraviyole (UV) ışık tarafından şeffaflık kaplı gofret ortaya çıkarmak için 300 mJ/cm2 uygulayın.
- UV ışığına maruz kaldıktan sonra gofret bir ocağın 2 min için 65 ° C ve daha sonra 95 ° C 7 dk sonrası pozlama fırında (PEB) yerleştirin.
- PEB ardından güçlü bir olumsuz sesi fotorezist geliştirici dalmış gofret tahrik veya bir ultrasonik banyo (37 kHz, etkili güç 180 W) 7 dakika dalmış gofret yerleştirin.
- Gofret yüzeyinde kalan herhangi bir geliştirici ortadan kaldırmak için temizlik iÖin izopropil alkol ile tekrar tüm gofret temiz.
- Önlemek için bağ, silanize 6 cm bir desiccator kabında gofret 100 µL % 97'si silane (1H, 1H, 2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) ile birlikte koyarak gofret yüzeyine istenmeyen.
- Desiccator bir vakum pompası bağlanmak ve 760 mmHg vakum basınç ayarlı.
- Daha sonra pompa 15 dk. kapalı ve sonra bir vakum desiccator 30 dk içinde dinlenmek için gofret bırakın anahtarı açın.
Dikkat: Buharlaştırılmış silane insanlar için son derece zararlı olduğunu; Böylece, Bütün gofret yüzey pasivasyon duman mahallede yapılmalıdır. - Yüzey pasivasyon geçiren silanized gofret getir. Gofret 15 cm Petri kabına ilave kullanım için fix.
Not: Desenli gofret bir kalıp olarak tasarlanmış kanal düzenleri çoğaltmak için ters PDMS malzemeleri tarafından kullanılmak üzere hazırdır.
-
Kalıpları üzerinde ters topoloji çoğaltma tarafından PDMS kanal düzenleri imalatı
- Temel PDMS (monomer) ile birlikte (Ajan kür) karşılık gelen catalyst 10:1 bir hacim oranı, temiz ve tek kullanımlık plastik bir kap koymak.
- (Kimden adım 1.2.1) PDMS prepolimer karışımı homojen bir güç karıştırıcı kullanarak karıştırın.
- Herhangi bir kapana kısılmış kabarcıklar PDMS karışımı kaldırmak için 60 dk vakum pompası bağlı desiccator kap koyun.
- (Bölüm 2 için) 20 g veya (1.1 adımda yapılan) Ana kalıp tasarlanmış kanal yerleşiminin ters topoloji özellikleriyle üstüne PDMS prepolimer karışımı (Bölüm 3 için) 8 g dökün ve PDMS malzemelerinde t kullanarak katıştırılmış herhangi bir olası kabarcıkları ortadan kaldırmak o desiccator (60 dk için).
- Bir fırın için silikon tabanlı sıvı prepolimer malzeme tedavisi 4 h 60 ° C'de PDMS karışımı taşıyan kalıp koymak.
- Gofret için oda sıcaklığında yaklaşık 20 dk için PDMS birlikte soğutma sonra tedavi PDMS bir neşter ve cımbız ile kalıp üzerinden bağlantısını kesin.
- Bir alan (yaklaşık 6 x 6 cm2 Bölüm 3 için Bölüm 2 ya da 2 x 7, 5 cm2 ) kapsayan müstakil PDMS katmana bir neşter kullanarak tüm kanal düzenleri terzi.
- Kanal erişim bağlantı noktası (giriş ve çıkışları) 1.5 mm çapında bir biyopsi yumruk kullanarak oluşturun.
Not: Sayılar ve giriş ve çıkışları konumunu belirli mikrosıvısal kanal imalatı için gravür süreçleri dayalı tasarlanmıştır. - 30 g PDMS prepolimer karışımı bir Petri kabına dökün ve PDMS malzemelerinde (60 dakika) desiccator kullanarak katıştırılmış herhangi bir olası kabarcıkları ortadan kaldırmak.
- Bir fırın daha 4 h sıvı prepolimer malzeme tedavi etmek için 60 ° C'de PDMS karışımı taşıyan Petri kabına koyun.
- Oda sıcaklığında yaklaşık 20 dakika için PDMS birlikte Petri kabına soğutma sonra bir neşter ve cımbız ile çanak dan tedavi PDMS bağlantısını kesin.
- Bir neşter kullanarak, herhangi bir özellik boyutlara anılan PDMS tabakasının (yaklaşık 6 x 6 cm2 Bölüm 3 için Bölüm 2 ya da 2 x 7, 5 cm2 ) eşit olmadan müstakil PDMS katman terzi.
- (1.2.7 ve 1.2.12 adımlarda yapılmış) her iki PDMS katmanı yüzeylerin tasarlanmış kanal düzenleri ile herhangi bir özelliği olmadan oksijen plazma 40 90 W bir yüzey işleme makine için üst PDMS malzemeleri teşhir ederek harekete geçirmek ve s.
- Bond 2 PDMS katmanlar yaparak oksijen plazma yüzey harekete geçirmek hemen sonra tedavi onların yüzeyleri arasındaki iletişim. O zaman, gümrüklü PDMS katmanları için daha--dan 30 dk 60 ° c fırında bırakın.
Not: Fırında gümrüklü PDMS katmanları bıraktığı için üst hiçbir zaman sınırı vardır. - 2 bağlı sonra PDMS katmanlar soğutmalı, aşırı PDMS malzemeleri fabrikasyon aygıt bir daha sonra deneysel set-up için uzak döşeme.
2. tek adımlı yaklaşım PDMS mikrosıvısal kanalları farklı bölümlerin imalatı için
Not: PDMS karakterize etmek için büyütme oranı ıslak, tek katmanlı ve düz kanal Dikdörtgen şekiller bir mikrosıvısal cihazla deneysel belirli ayarlara karşılık gelen özel gravür oranları belirlemek için yararlanılması için önerilmektedir.
-
Deneysel PDMS karakterizasyonu gravür ıslak
- 1-metil-2-pyrrolidinone (NMP) v: v oranında ile tetra-n-butylammonium florür (TBAF, tetrahydrofuran (THF) 1 M çözeltilerine) karıştırılarak etchant çözümünü hazırlamak = 1:10.
Not: NMP verimli bir şekilde kimyasal artıklar etchants tarafından indüklenen eriterek yeteneğine sahiptir. Genel olarak, PDMS malzemeleri marjinal NMP tarafından şişmiş ve PDMS mikrosıvısal aygıtları şekillerini birimleri, korumak ve koşullar mühür hala edebiliyoruz. - Paslanmaz künt iğne (16 G) için bağlı bir 10 mL şırınga içine karışık TBAF/NMP etchants çizin.
- Bir şırınga pompa kadar kanalı basınç tahrik sıvıların denetleyicisi olarak ayarlayın.
- Yukarıda belirtilen basit aygıtın Kanal bağlantı noktasına etchant çözümü ile dolu şırınga künt iğnelerden bağlanmak ve Şekil 1' de gösterildiği gibi atık bir kapsayıcıya boru prizinden ilgili bağlantı noktasını gösterir.
- Gravür PDMS karakterize için 150 bir µL/dk akış hızı, karışık TBAF/NMP etchant solüsyon içeren şırıngalar taşıyan şırınga pompa ıslak çalıştırın.
- Alan parlak mikroskopik görünümleri kullanın ve sonuç olarak etchants oranı karıştırma ses onaylamak için Tekdüzen bir genişlik kazınmış kanal boyunca akış yönü bulunduğu ve etchant akış hızı yeterli olduğundan emin olun.
- Zaman serileri çekim kanal kesiti ile 4 X büyütme işlemi aşındırma PDMS sırasında ters bir mikroskop altında.
- Stok imge işlem PDMS malzemelerin aşındırma ıslak sırasında bir zaman dizisi kanal genişliği için bir sayı toplamak için görüntü işleme programında 2D bir analizini temel ölçüm işlevinde uygulayarak analiz.
- Zaman serileri gravür oranları üzerinden hangi kanal genişliği Değiştir % 50'si bölme Şekil 2' de gösterilen Denklem değerlendirmek (ΔW / 2) (t) PDMS Gravür süresi tarafından.
- Genel bir tahmin etmek için toplanan veri noktalarının bir doğrusal regresyon gerçekleştirmek karıştırma oranı 1:10 PDMS malzemeler için Şekil 2' de gösterildiği gibi belirli ses ile karışık TBAF/NMP etchants büyütme oranı.
- 1-metil-2-pyrrolidinone (NMP) v: v oranında ile tetra-n-butylammonium florür (TBAF, tetrahydrofuran (THF) 1 M çözeltilerine) karıştırılarak etchant çözümünü hazırlamak = 1:10.
-
Gravür mikrosıvısal kanalları farklı geometrik bölümlerin imalatı için PDMS sıralı ıslak
- Etchant alıcılar tanzimi için böylece belirli kanal türü farklı kesit şekillerin ekil 3 gösterildiği gibi sahte olduğu işlemler sırayla, aşındırma karşılık gelen hizmet veren tek katmanlı PDMS kanal düzeni tasarlayın.
- Adımları 2.1.1 - 2.1.7 yaklaşım aşındırma PDMS ıslak için'nda açıklanan yordamları izleyin.
Not: Akış hızı 50 μL/dak ayarlanır. - TBAF/NMP etchants akan iken kazınmış kanalları bir etchants tarafından etchants bir kaçağı indüklenen çeşitli kimyasal artıklar kalan kabarcıklar, göze çarpan bir miktar gibi önemli sorunları varsa görmek için mikroskop altında incelemek, ya da etchants bir eğik düzlem üzerinde bir akış.
- Tarafından ters mikroskobu mikrosıvısal kanal duvar kalınlığı değişimi gözlemlemek ve uygun kanal geometrileri elde emin olmak için işlem aşındırma ıslak zaman.
3. bir mikrosıvısal Mikser tasarımı
Not: Bir tasarım 2 farklı sıvılar verimli bir şekilde karıştırıp mikrosıvısal Mikser mikrosıvısal kanalları farklı bölümleri ile avantajlı bir uygulama göstermek için burada gösterilmiştir.
-
Farklı kanal bölümleri ile bir mikrosıvısal Mikser imalatı
- Bir tek katmanlı mikrosıvısal kanal kalıplama tekniği (Bölüm 2) yumuşak litografi yineleme Şekil 4 ' te gösterilen tasarım PDMS aygıtla olun.
- Tek katmanlı mikrosıvısal kanal düzeninde Şekil4 20 µL/dk akış hızı, "çıkış" olarak işaretlenmiş adım 2.1.1 bağlantı noktasından'nda açıklanan yordamları izleyerek hazırlanan TBAF/NMP etchant çözüm tanıtmak.
- Mikrosıvısal kanal duvar kalınlığı varyasyon mikroskop altında gözlemlemek ve Şekil 5 ' te temsil edilen uygun kanal geometrileri elde emin olmak için işlem aşındırma ıslak zaman.
-
Deneysel mikrosıvısal Mikser karakterizasyonu
- Alternatif bir desen farklı şekillerde bölümlerini mikrosıvısal kanalla fark sonra pompa 2 farklı sıvılar Fluoresein sodyum bir çözüm de dahil olmak üzere 50 µg/mL konsantrasyonu sahip tuz ve distile su içine 2 ayrı kanal 20 µL/dk akış hızı.
- Floresan mikroskop görüntüleri Kanal A olarak işaretlenmiş pozisyonlarda üstten görünüm almak, B, C ve D ile (önce gravür) düzgün ve farklı 2 mikserler için ters bir mikroskop (4 X büyütme) altında geometrik (2 h sonra SWEP), sırasıyla bölümleri) Şekil 6).
Not: istikrarlı akar, mikser kanallardan karıştırma başlangıç anlar sayılan 5 dk zaman noktasında oluşurken floresan mikroskop görüntüler alınır. - Floresan çekilen bir görüntü işleme programında karıştırma artık tarafından tanımlanmış olan verimlilik numaralarını karıştırma karşılık gelen tahmin etmek için çözümleme (Bay, 0,5 = karışmamış, 0 tamamen karışık =) aşağıdaki denklem27, 'deki 28:
Burada,
t gravür zamanı,
L kanal genişliği ilgi belirli bir konumda olması,
S konumunda, kanal boyunca bir çizgi parçası olduğunu ve
T S üzerinde floresan yoğunluğu dağıtım var. - Floresan yoğunluğu dağıtım S Kanal genelinde Arsa olarak işaretlenmiş pozisyonlarında B, C ve D ile (önce gravür) düzgün ve farklı 2 mikserler için geometrik bölümleri (2 h sonra SWEP), anılan sıraya göre. Karşılık gelen Bay tahmin etmek Şekil 6' da gösterildiği gibi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Son zamanlarda, çok sayıda çalışmalar mikrosıvısal cihazlar fabrikasyon farklı bölümleri kanal üzerinde13,14,15 ve teknikleri17 aşındırma PDMS kalıplama litografi yineleme tarafından yapılmıştır , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. ancak, hala mevcut şekiller biçimlenme önemli sınırlamaları ve zorluklar ile üretim işlemleri16,23. Bu yazıda, bir tek adımlı yaklaşım PDMS mikrosıvısal kanalları SWEP tarafından farklı geometrik bölümlerin imalatı için önerilmiştir.
Şekil 1 şematik ve ilişkili boru sistemi deneysel kurulumu görüntüler mikrosıvısal PDMS kanalının bir SWEP göre farklı bölümler oluşturmak için tek kat kanal düzenleri gösterir. NMP Şekil 1a ve 1bgösterildiği gibi SWEP deneyler için kullanılan arabellek olur. SWEP deneylerde gravür ürünleri kanallarda laminer akımları gravür işlemler tarafından istismar korumak için ortadan kaldırmak için uygun bir çözücü seçmek önemlidir. Sonuç olarak, NMP arabellek etkili ürünler SWEP22,23ve çözülmeye solvent seçilir.
Kazınmış kanalları da mikrosıvısal cihazın içine kanal bölümleri evrimi göstermek için mavi gıda boyaları ile doldurulur. Etchant alıcılar tasarlanmış tek katmanlı kanal deseninin düzenleyerek, mikrosıvısal kanal bölümleri farklı türde çeşitli geometri özellikleri ile SWEP Şekil 3' te gösterildiği gibi elde edilebilir.
Aşındırma, tek katmanlı bir mikrosıvısal cihazla PDMS karakterize etmek için ıslak ve Dikdörtgen şekiller düz kanal yararlanan bir genel olarak tanımlamak için PDMS için belirli bir ses karıştırma oranı ile karışık TBAF/NMP etchants büyütme oranı malzemeler. Tarafından toplanan veri noktaları ile ilgili belirli gravür süreleri, Genel kanal genişliği varyasyonu doğrusal regresyon gravür oranı etchant çözüm 2.714 µm / dk (Şekil 2) deneysel olarak tahmin edilmektedir.
Tek tip kesitleri ile mikrosıvısal kanallarında sıvıları çoğunlukla rasgele kişiler madde parçacıkları arasında bastırmak kanal duvarlar boyunca akışı; Bu nedenle, sıvı karıştırma difüzyon tarafından tahrik genellikle özellikle uzun yollardan elde edilir. Sonuç olarak, farklı geometrik bölümleri mikrosıvısal kanalları sıvı yanal sıvı hareketleri yardımıyla kanal bölümleri üzerinde karıştırma kolaylaştırmak olması beklenmektedir. Bu çalışmada, bir tasarım nerede iki farklı sıvılar verimli bir şekilde karıştırılır mikrosıvısal Mikser (Şekil 4) burada farklı bölümleri ile avantajlı uygulanması bir mikrosıvısal kanalları sunmak için gösterilmiştir. Şekil 5 , 0 h, 0,25 h, 0.40 h, 0.55 h, 0.70 h, 1.00 h ve 2.00 h aşamalarında sırayla aşındırma üstten görünüm PDMS malzemeler kullanılarak SWEP tarafından fabrikasyon mikrosıvısal karıştırıcı kanal zaman serileri görüntülerini sunar.
Sonra mikrosıvısal kanal alternatif bir desen farklı şekillerde bölümleri ile fark etti ve bir çözüm Fluoresein sodyum tuzu ve distile su da dahil olmak üzere iki farklı sıvılar daha sonra iki ayrı kanallarına, floresans pompalı A, B, C ve D (önce gravür) üniforma ve farklı geometrik bölümleri ile iki mikserler için ters bir mikroskop altında (2 h sonra SWEP), sırasıyla yakalanır olarak işaretlenen pozisyonlarında (Şekil 6) mikroskop görüntüleri kanal top. İstikrarlı akar, mikser kanallardan karıştırma başlangıç anlar sayılan 5 dk zaman noktasında oluşurken bu görüntüler alınır. O zaman, bu floresan mikroskop görüntüleri Mikser karıştırma verimliliğini temsil eden karşılık gelen Bay numaralara ayıklamak için bu çalışmada geliştirilen otomatik bir program teslim edilir.
Gravür işleminden önce kanal mikser bir yılan gibi kanal düzeni ile aynı kesit dikdörtgen şeklinin vardı. Yeterli Kanal uzunluğu nedeniyle difüzyon mekanizmaları için gerekli, mikrosıvısal karıştırıcı bir gerekli olan 0.4607, 0.3403, 0.2450 ve 0.1940 Bay numaraları A'da gösterdiği verimliliği karıştırma, B, C ve D, sırasıyla konumlandırır. SWEP, 2 h ile eşit bir toplam kanal uzunluk özgün bir sonra mikrosıvısal karıştırıcı kanal bölümü alternatif bir kalıp içinde farklı şekiller vardır. Mikser farklı kanal bölümleri ile belirgin bir artış sağlar önemlidir verimlilik, belirgin bir şekilde 0.3875, 0.1915, 0.1336 ve 0.0680, A, Bay sayıda azaltarak temsil karıştırma B, C ve D pozisyonları, sırasıyla, yanal sıvı nedeniyle hareketleri advection difüzyon mekanizmaları yanı sıra yol açmaktadır. Ayrıca, pozisyon B - D, SWEP tarafından fabrikasyon Mikser karıştırma verimliliğini böyle advection mekanizmaları kanal bölümleri sonuç belli bir ve tek tip üzerinde meydana gelen artış.
Şekil 1: boru set-up sıralı ıslak gravür işlemler (SWEP) tarafından farklı geometrik kesitleri PDMS kanalları oluşturmak için mikrosıvısal tek katmanlı kanal düzenlerdeki. (bir) bu şematik tek katmanlı kanalları mikrosıvısal aygıtları gösterir. Üst katmanı PDMS birden çok kanal tasarımları ıslak etchant giriş düzenlemeleri için kullanmayı fabrikasyon olduğunu. Alt tabaka PDMS boş bir desen ile yapılır. (Üst: bir etchant giriş; Orta: iki etchant giriş.) Alt kalıp üst tabaka imalat için olduğunu. (b) bu paneller kanalları farklı bölümlerin imalatı montajı aygıtın göster. Kanal genişliği ve duvar kalınlığı are 50 µm ve 100 µm, anılan sıraya göre. (c) bu paneller için SWEP mikrosıvısal tek katmanlı kanal düzenleri üzerinde boru set-up deneysel fotoğraflarını göster. (Üst satırı: bir etchant giriş; alt satırı: iki etchant giriş.) Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: PDMS karakterizasyonu ıslak gravür. Bu şekilde toplanan yarım kanal doğrusal regresyon genişliği değişiklikleri ile ilgili genel bir tahmin etmek için gravür kez gösterilmektedir PDMS malzemeler için belirli bir ses karıştırma oranı ile karışık TBAF/NMP etchants büyütme oranı. [İlave, oranları PDMS malzemelerin aşındırma ıslak karakterize için basit ve düz kanal deseni kesitsel geometri bir şemadır. Genel TBAF/NMP gravür oranı (v: v = 1:10) 2.714 µm/dk ve 0.9913 karşılık gelen R2 (belirleme katsayısı) olduğunu.] Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: mikrosıvısal kanalları farklı geometrik bölümleri tarafından sıralı PDMS ıslak gravür fabrikasyon. Bu paneller etchant alıcılar çeşitli düzenlemeler farklı kesit şekil (bir) gibi belirli kanal türü imalatı için sırayla işlemleri aşındırma karşılık gelen hizmet veren tek katmanlı PDMS kanal düzenleri için göster haç şeklinde, (b) halter şeklinde ve (c) çan şeklindeki kesitsel geometriler. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: kanalları farklı bölümleri ile kullanan mikrosıvısal mikserler fabrikasyon. (bir) Bu panel kanalları farklı bölümleri ile kullanan bir mikrosıvısal Mikser imalatı için bir tek katmanlı kanal düzeni çizim bir tasarımdır. Alt kalıp tek katmanlı kanal imalat için gösterilir. (b) bu paneller döşeme inceden inceye gözden geçirmek mikroskop resimleri bütün devreler kanalının önce ve ıslak PDMS 1 ve 2 h sonra aşındırma göster. (c) bu paneller göstermek deneysel parlak alan görüntüleri Mikser ıslak PDMS 1 ve 2 h tarafından fabrikasyon kanal bölümleri bir üst aşındırma görünümü (üst satırı), xboyunca akış yönüne dik bir kesme görünümünde-eksen (ikinci gelen üst) ve bir kesim (üstten üçüncü) ve B-B bölüm görünümü'nde (alt satır) pozisyonlar kesti. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: saat serisi görüntüleri mikrosıvısal karıştırıcı kanal PDMS malzemeleri sıralı ıslak gravür tarafından fabrikasyon farklı bölümlerin. (bir) Bu panel bir mikrosıvısal Mikser farklı kanal bölümleri ile imalatı için bir tek katmanlı kanal düzen şeması gösterir. (b) bu panelleri göstermek mikroskop top bir mikser kanalının her gravür aşamalarında sırayla görüntüleri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: sıralı PDMS ıslak gravür tarafından fabrikasyon mikrosıvısal Mikser karakterizasyonu. (bir) bu paneller show floresan mikroskop görüntüleri karıştırıcı Kanal A olarak işaretlenmiş pozisyonlarda B, C ve D gravür PDMS malzemelerin ıslak etchants tanıtımı önce ve 2 h. (b) bu paneller karıştırıcı Kanal A, B, C ve D pozisyonlarda önce (üst) ve PDMS ıslak gravür (orta), 2 h arasında normalleştirilmiş koordinatıyla sunulan ölçülen floresan yoğunluğu alanları gösterir. Ayrıca Mikser karıştırma verimliliğini temsil eden analiz Bay gösterir (0,5: karışmamış, 0: tamamen karışık) çeşitli kanal pozisyonlarda önce ve (alt) aşındırma 2 h. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Geçtiğimiz on yıl içinde hangi-ebilmek var olmak deneysel platformlar kimyasal ve Biyomedikal araştırma için umut verici anlamına gelir, sistematik olarak1,2,3,4inşa Havacilik teklif etti, 5. Platformlar da çeşitli hücresel işlevler içinde vivo vitro hücre çalışmaları6,7, üzerinden fizyolojik microenvironment koşullarda araştırma yeteneklerini sunulmuştur 8 , 9. deneysel araştırma ve ilgili uygulamaların çoğu kanal çapraz bölümleri mikrosıvısal aygıt düzgün ve dikdörtgen şeklinde. Bu tür mikrosıvısal cihazlar kanal yapıları microenvironment koşullarında önemli bir rol oynamaktadır. Örneğin, havacilik ilaç dağıtım için bir aparat kullanırken, böyle kimyasal taşıması üzerinden pasif bir denetim akış hızı standart kesit geometri29dikdörtgen kanal ayarlama tarafından modülasyonlu. Madde aktarımı üzerinden akış yönü boyunca kanal istenen akı dağılımı için mikrosıvısal kanalları bir genel olarak hacimsel akış hızı ayarı altında farklı geometrik bölümleri ile gerekli olabilir. Çalışmalar önemli sayıda Ana kalıp inşaat çeşitli yükseklikte veya dikdörtgen olmayan çapraz belirli yüzey desenleri ile de dahil olmak üzere farklı bölümleri ile istediğiniz kanalları böyle çiplerle imal etmek bazı önemli adımlar attık bölüm13,14,15 ve geometrik özellikleri17,18,19,20 ile yüzeyler oluşturma tekniği aşındırma PDMS , 21 , 22. bu çabalar sadece karmaşık üretim süreçleri içerir ancak, aynı zamanda belirli kesitsel kanal16,23şekillere kısıtlanır.
Bu yazıda, basit ve tutarlı bir şekilde PDMS malzemelerinde gömülü planlı tek katmanlı düzenlerden belirli kanalları içine etchant tanıtarak PDMS kanallar ile çeşitli bölümleri oluşturma bir tek adımlı yaklaşım ileri düzeydedir. Ayrıca, farklı kesit şekilleri ile kanallar oluşturan izotropik sıralı ıslak gravür süreçleri yinelemeli sayısal hesaplama30kullanılarak doğrulanır. Görünüşe göre PDMS malzeme izotropik kaldırılması sırasında süreçleri aşındırma sıralı ıslak nedeniyle kanal bölümü geometrileri keskin açıları ile imal etmek zordur. Pratik uygulamalarda, ıslak PDMS gravür oranları doğru bir karakterizasyonu ve ilişkili boru sistem kurulumu dikkatli düzenlemelerin fabrikasyon bölüm geometrileri mikrosıvısal kanal üzerinde kesin denetim gerektirir. PDMS mikrosıvısal kanalları ile farklı geometriler üretimi için varolan yöntemleri ile karşılaştırıldığında, gelişmiş tek adımlı yaklaşım önemli ölçüde dikdörtgen olmayan bölümleri veya çeşitli yükseklikleri ile kanal imalatı işlemlerini kolaylaştırmak. Sonuç olarak, gelişmiş teknik çeşitli uygulamalar için yenilikçi mikrosıvısal sistemlerinin geliştirilmesi için yol açabilir karmaşık mikrosıvısal kanalları oluşturmak için bir yol sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar bildirmek için bir şey yok.
Acknowledgments
Yazarlar, minnetle tarafından Ulusal Sağlık Araştırma Enstitüleri (NHRI) Tayvan yenilikçi araştırma hibe (IRG) (EX106-10523EI), Tayvan Bakanlığı Bilim ve teknoloji altında sağlanan destek kabul (en 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) ve Academia Sinica kariyer geliştirme Ödülü. Yazarlar Heng-Hua Hsu el yazması proofreading için teşekkür etmek istiyorum.
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).
