Summary
Этот проект позволяет небольшим лабораториям разработать простую в использовании платформу для изготовления точных многослойных микрофлюидных устройств. Платформа состоит из трехмерно напечатанного адаптера выравнивания маски микроскопа, с помощью которого были достигнуты многослойные микрофлюидные устройства с погрешностью выравнивания <10 мкм.
Abstract
Этот проект направлен на разработку простой в использовании и экономически эффективной платформы для изготовления точных, многослойных микрофлюидных устройств, что, как правило, может быть достигнуто только с использованием дорогостоящего оборудования в условиях чистой комнаты. Ключевой частью платформы является трехмерный (3D) печатный адаптер выравнивания масок микроскопа (MMAA), совместимый с обычными оптическими микроскопами и системами воздействия ультрафиолетового (УФ) света. Общий процесс создания устройства был значительно упрощен из-за работы, проделанной для оптимизации конструкции устройства. Процесс включает в себя поиск подходящих размеров для оборудования, доступного в лаборатории, и 3D-печать MMAA с оптимизированными спецификациями. Экспериментальные результаты показывают, что оптимизированная MMAA, разработанная и изготовленная с помощью 3D-печати, хорошо работает с обычным микроскопом и системой воздействия света. Используя мастер-форму, подготовленную 3D-печатной MMAA, полученные микрофлюидные устройства с многослойными структурами содержат ошибки выравнивания <10 мкм, что достаточно для обычных микрочипов. Хотя человеческая ошибка при транспортировке устройства в систему воздействия ультрафиолетового света может привести к большим ошибкам изготовления, минимальные ошибки, достигнутые в этом исследовании, достижимы с практикой и осторожностью. Кроме того, MMAA может быть настроен для любого микроскопа и системы воздействия ультрафиолета путем внесения изменений в файл моделирования в системе 3D-печати. Этот проект предоставляет небольшим лабораториям полезный исследовательский инструмент, поскольку он требует только использования оборудования, которое обычно уже доступно для лабораторий, производящего и использующего микрофлюидные устройства. Следующий подробный протокол описывает процесс проектирования и 3D-печати для MMAA. Кроме того, в настоящем описаны этапы получения многослойной мастер-формы с использованием MMAA и получения микрофлюидных чипов из поли(диметилсилоксана) (PDMS).
Introduction
Хорошо развитой и перспективной областью инженерных исследований является микропроизводствование из-за огромного пространства приложений, использующих микрофлюидные платформы. Микрофабрикация - это процесс, в котором структуры производятся с мкм- или меньшими размерами с использованием различных химических соединений. Поскольку микрофлюидные исследования развивались в течение последних 30 лет, мягкая литография стала наиболее популярным методом микропроизводство, с помощью которого можно производить микрочипы из поли(диметилсилоксана) (PDMS) или аналогичных веществ. Эти микрочипы широко использовались для миниатюризации распространенных лабораторных практик1,2,3, 4 и стали мощными исследовательскими инструментами для инженеров для имитации реакционных процессов5,6,7,изучения механизмов реакций и мимических органов, обнаруженных в организме человека in vitro (например, орган-на-чипе)8,9,10. Однако по мере увеличения сложности приложения характерно, что более сложная конструкция микрофлюидного устройства позволяет лучше тиражировать реальную систему, которую оно призвано имитировать.
Основная процедура мягкой литографии включает в себя покрытие подложки фоторезистентным веществом и размещение фотомаски над покрытой подложкой перед подвергнутием подложку ультрафиолетовому излучению11. Фотомада имеет прозрачные области, которые имитируют желаемый рисунок каналов микрофлюидного устройства. При воздействии на подложку с покрытием ультрафиолетового света прозрачные области позволяют ультрафиолетовому свету проникать через фотомаску, в результате чего фоторезист сшивается. После этапа экспозиции несшитый фоторезист смывается с помощью разработчика, оставляя твердые структуры с предполагаемым рисунком. По мере того, как сложность микрофлюидных устройств становится все больше, они требуют многослойной конструкции с чрезвычайно точными размерами. Процесс многослойного микрофабрикации намного сложнее по сравнению с однослойным микропроизводствием.
Многослойное микрофабрикация требует точного выравнивания признаков первого слоя с рисунками на второй маске. Как правило, этот процесс выполняется с использованием коммерческого элайнера для масок, который является дорогостоящим и требует обучения для работы с оборудованием. Таким образом, процесс многослойного микропроизводства, как правило, недостижим для небольших лабораторий, которым не хватает средств или времени для таких усилий. В то время как было разработано несколько других изготовленных на заказ элайнеров для масок, эти системы часто требуют покупки и сборки множества различных деталей и все еще могут быть довольносложными 12,13,14. Это не только дорого для небольших лабораторий, но и требует времени и обучения для создания, понимания и использования системы. Элайнер для масок, подробно описанный в этой статье, стремился смягчить эти проблемы, поскольку нет необходимости в покупке дополнительного оборудования, требуется только оборудование, которое обычно уже присутствует в лабораториях, производящих и использующих микрофлюидные устройства. Кроме того, выравниватель масок изготавливается с помощью 3D-печати, которая с недавним развитием технологии 3D-печати стала легко доступной для большинства лабораторий и университетов по доступной цене.
Протокол, подробно описанный в этой статье, направлен на создание экономически эффективного и простого в эксплуатации альтернативного элайнера масок. Маскировочный элайнер, описанный в настоящем описании, может сделать многослойное микропроизводственное производство возможным для исследовательских лабораторий без обычных производственных средств. Используя адаптер выравнивания масок микроскопа (MMAA), функциональные микрочипы со сложными функциями могут быть достигнуты с использованием обычного источника ультрафиолетового света, оптического микроскопа и общего лабораторного оборудования. Результаты показывают, что MMAA хорошо работает с примером системы, использующего вертикальный микроскоп и блок воздействия ультрафиолетового света. MMAA, изготовленный с использованием процесса 3D-печати, был использован для получения двухслойной главной формы микрофлюидного устройства елочкой с минимальными ошибками выравнивания. С помощью мастер-формы, изготовленной с помощью 3D-печатной MMAA, микрофлюидные устройства были подготовлены с многослойными структурами, содержащими ошибки выравнивания <10 мкм. Погрешность выравнивания <10 мкм достаточно минимальна, чтобы не препятствовать применению микрофлюидного устройства.
Кроме того, было подтверждено успешное выравнивание четырехслойной мастер-формы, изготовленной с использованием MMAA, и были определены ошибки выравнивания <10 мкм. Функциональность микрофлюидного устройства и минимальные ошибки выравнивания подтверждают успешное применение MMAA при создании многослойных микрофлюидных устройств. MMAA может быть настроен для любого микроскопа и системы воздействия ультрафиолета, внеся незначительные изменения в файл на 3D-принтере. В следующем протоколе описываются шаги, необходимые для тонкой настройки MMAA в соответствии с оборудованием, доступным в каждой лаборатории, и 3D-печати MMAA с требуемыми спецификациями. Кроме того, в протоколе подробно описывается, как разработать многослойную мастер-форму с использованием системы и впоследствии производить микрофлюидные устройства PDMS с использованием мастер-формы. Генерация мастер-формы и микрофлюидных чипов затем позволяет пользователю проверить эффективность системы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Проектирование MMAA
- Получите размеры лотка доступной системы излучения ультрафиолетового излучения в верхней границе для размеров держателя пластины (или блока воздействия ультрафиолета), показанного на рисунке 1. Как показано на рисунке 2A,измерьте диаметр (d) внутреннего круглого обода, внутреннюю высоту (h) лотка системы излучения ультрафиолетового излучения, общую ширину (w) и длину (l) лотка.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, доступная система воздействия ультрафиолетового света имела внутренние размеры лотка 5 дюймов (") x 5" x 0,25" с 4-дюймовым круглым вырезом. Затем размеры MMAA были спроектированы так, чтобы быть не превышали размеры внутреннего лотка, чтобы правильно вписаться и расположиться в лотке системы, как показано на рисунке 2B. См. рисунок 3 для 3D-печатных частей MMAA: кремниевая пластина с фоторезистовым покрытием и застежка для фиксации установки на микроскопе. - Измерьте длину между винтами на доступной вертикальной ступени микроскопа, которые удерживают держатель слайда на месте. Дополнительно измерьте ширину винтов. Примените эти размеры для настройки магнитного держателя(рисунок 1)в соответствии с имеющимся микроскопом, чтобы обеспечить легкую и точную фиксацию MMAA на микроскопе(рисунок 4A).
- Используя доступное приложение для проектирования компьютеров, настройте держатель пластины и крепеж магнитного микроскопа в соответствии с измеренными размерами. Спроектируйте высоту, ширину и длину держателя пластины не более высоты (h), ширины (w) и длины (l) лотка системы излучения ультрафиолетового излучения. Кроме того, включите круглый вырез в нижней части держателя пластины с тем же диаметром (d), что и лоток системы излучения ультрафиолетового излучения. Создайте файлы STL или CAD для двух частей MMAA, которые будут использоваться для 3D-печати устройства (см. Дополнительные материалы).
2.3D Печать MMAA
- Загрузите сгенерированные файлы STL или CAD в доступное программное обеспечение для 3D-печати. 3D-Печать двух частей MMAA, следуя соответствующей процедуре для 3D-процесса и используемого принтера. Заполните детали, выполнив все необходимые этапы после печати (например, удаление опорного материала, удаление неотверждающейся смолы, дополнительные этапы промывки или отверждения). В качестве альтернативы, используйте доступную возможность 3D-печати, чтобы напечатать и завершить разработанные части в другом месте.
- Убедитесь, что держатель пластины хорошо сидит и сидит ровно внутри лотка доступной системы воздействия ультрафиолетового света(рисунок 2B). Кроме того, убедитесь, что крепление микроскопа прикреплено к ступени микроскопа и может легко перемещаться с помощью ручек, которые контролируют x- и y- положения ступени микроскопа(рисунок 4A).
- После того, как детали были завершены, вставьте и закрепите магниты в держателе пластины и крепеж микроскопа(рисунок 3A),используя суперклей или любое другое фиксирующие вещества. Дайте клею высохнуть перед тестированием системы.
ПРИМЕЧАНИЕ: При желании протип может быть сначала напечатан с помощью 3D-принтера Fused Deposition Modeling (FDM) для экономии ресурсов и денег15. Затем этот протип может быть оценен на соответствие имеющееся оборудованию, а затем конструкция может быть изменена, если это необходимо. Затем конечное устройство может быть напечатано с использованием более точного процесса (например, стереолитографии) для большей точности. Конечное устройство также может быть напечатано с полупрозрачным покрытием для оптимального использования под микроскопом.
3. Экспериментальные испытания MMAA
- Проектирование и печать фотошаг микрофлюидного устройства с маркерами выравнивания
- Используйте приложение для компьютерного проектирования для проектирования фотомаск для желаемого двухслойного микрофлюидного устройства.
- Включите дополнительные структуры на стороне микрофлюидного устройства канальных структур, которые будут действовать как маркеры выравнивания (ближе к краю фотомаски / главной формы), как показано на рисунке 5A,B. Убедитесь, что на каждой стороне микрофлюидного устройства есть один маркер выравнивания (в общей сложности не менее четырех). Кроме того, убедитесь, что фотомаза содержит прямой край, который может идеально совпадать с прямым краем кремниевой пластины.
ПРИМЕЧАНИЕ: Более высокая тонкость структуры маркера выравнивания позволит повысить точность выравнивания дополнительных слоев. По крайней мере, следует использовать простую поперечно-поперечно-поперечное сооружение с размерами 1 мм х 1 мм(рисунок 6А). Пример маркеров выравнивания можно увидеть в углах и нижнем среднем крае рисунка 5A,B,которые изображают фотомаска первого и второго слоя, используемые для создания двухслойной мастер-формы. - Печать фотомашек либо через коммерческого поставщика, либо через другие доступные средства
- Создание двухслойной мастер-формы с использованием MMAA (фотолитография)
- Используя стандартные методы фотолитографии и инструкции производителя фоторезиста, создайте первый слой мастер-формы, используя первый слой фотомаски16. Используйте 4" кремниевую пластину с соответствующим фоторезистом (т.е. SU-8) для создания желаемой толщины слоя. Убедитесь, что толщина первого слоя больше, чем у последующих слоев, для легкой идентификации маркеров выравнивания.
- Используйте светлую маркерную ручку (например, золотую), чтобы окрасить маркеры выравнивания первого слоя со всех четырех сторон.
- Используя инструкции производителя фоторезиста, инициируйте второй слой мастер-формы, раскручивая фоторезист на пластину и выполняя мягкую выпечку16. Вставьте пластину с покрытием в держатель пластин MMAA(рисунок 3B)и закрепите пластину с покрытием на MMAA с помощью ленты.
- Прикрепите держатель пластины к имеющейся вертикальной микроскопии с помощью магнитного крепежа микроскопа(рисунок 4А). Перемещайте положение MMAA с помощью ручек x- и Y-направления ступени микроскопа до тех пор, пока один из цветных маркеров выравнивания на пластине не будет виден через линзу микроскопа.
- Вставьте фотомаску второго слоя в держатель пластины поверх пластины с покрытием(рисунок 3C). Убедитесь, что цветные маркеры выравнивания первого слоя частично видны через маркеры выравнивания на фотомаске.
- Прикрепите фотомаску к ножничному подъемнику (также известному как опорный домкрат) через один из боковых вырезов(рисунок 4B)с помощью ленты. Используйте ножничный подъемник, чтобы отрегулировать положение фотомаски в направлении z, пока она не ляжет прямо над пластиной с покрытием(рисунок 3C).
ПРИМЕЧАНИЕ: Ножничный подъемник позволяет точно регулировать z-положение фотомаски, так как ножничный подъемник можно использовать для перемещения положения прикрепленной фотомаски в z-направлении. - Сохраняя фотомаску неподвижной, посмотрите через объектив микроскопа и определите цветные маркеры выравнивания первого слоя под маркерами выравнивания фотомаски. Используйте ручки x- и Y-направления ступени микроскопа для перемещения положения MMAA(рисунок 4D). Отрегулируйте положение MMAA до тех пор, пока маркер выравнивания на фотомаске не будет наложен цветным маркером выравнивания на первом слое(рисунок 6A,B),наблюдая за положением маркеров выравнивания через объектив микроскопа.
- Осторожно приложите небольшое усилие к фотомаске и используйте ленту, чтобы закрепить фотомаску на месте поверх пластины с покрытием. Отсоедите фотомаску от ножничного подъемника. Убедитесь, что все четыре маркера выравнивания на фотомаске находятся в выравнивании с четырьмя маркерами выравнивания на первом слое.
- Как только выравнивание будет достигнуто, тщательно отсоегите держатель пластины от ступени микроскопа. Вставьте стеклянную верхнюю пластину поверх пластины и фотомаски, чтобы уменьшить зазор между двумя частями(рисунок 1). Поместите весь держатель пластины в доступную систему воздействия ультрафиолетового света, как показано на рисунке 4E. Обнажите второй слой на соответствующее время и интенсивность света, как описано в инструкции16производителя фоторезиста.
- Снимите держатель пластины с системы воздействия ультрафиолетового излучения. Снимите пластину с покрытием из держателя пластины и отсоедините фотомаску от пластины. Завершите обработку второго слоя (например, пост-выпечку, разработку, промывку и сушку) в соответствии с инструкциями производителя фоторезиста16.
ПРИМЕЧАНИЕ: Точное спин-покрытие, мягкая выпечка, экспонирование, пост-выпечка и условия развития (время, температура) будут варьироваться в зависимости от используемого фоторезиста и желаемой толщины слоя. Фактические условия и точная процедура фотолитографии должны основываться на инструкциях производителя фоторезиста.
- Приготовление микрофлюидного аппарата с использованием мастер-формы (мягкая литография)
- Извлеките мастер-форму и закрепите ее в середине пластиковой чашки Петри 150 мм x 15 мм с помощью ленты.
- Приготовьте ~15-20 г PDMS на основании инструкций производителя. Поместите PDMS в вакуумную камеру или дайте ей отдохнуть до тех пор, пока не будут свободны пузырьки. Налейте PDMS в чашку Петри, содержащую главную форму.
- Пусть чашка Петри с мастер-формой покоится на столешнице до тех пор, пока PDMS не освободится от пузырьков. Поместите чашку Петри в духовку при 65 °C до полного отверждения PDMS (не менее 3 ч).
- Вырежьте PDMS, чтобы выявить микроканальные структуры. Разрежьте PDMS вокруг микроканальных структур на отдельные микрочипы и создайте впускные и выпускные отверстия для микрофлюидного устройства. Используйте ленту, чтобы аккуратно удалить любые мелкие частицы, которые могут лежать на поверхности PDMS.
- Завершите изготовление микрочипа, прикрепив чип PDMS к PDMS или слайду микроскопа путем плазменной обработки чипа PDMS и дополнительной подложки.
- Определение ошибки выравнивания
- Извлеките главную форму и используйте вертикальный микроскоп для определения расстояния зазора (ошибки выравнивания) между первым и вторым слоем. Сделайте это, просто измерив расстояние, на которое второй слой смещается и смещен от первого слоя на микроканальных структурах (см. Рисунок 5D для примера измеренного расстояния зазора).
- Используйте вертикальный микроскоп, чтобы определить, содержит ли чип PDMS стенки каналов, которые являются прямыми с четкими краями устройства. Кроме того, проверьте микросхему PDMS на наличие возможных дефектов, которые могут помешать функциональности устройства.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для достижения меньшей погрешности выравнивания может потребоваться повторить изготовление основной формы (разделы 3.2 и 3.3). Показано, что повторная практика использования MMAA повышает способность пользователя создавать хорошо выровненную мастер-форму. Кроме того, изображения могут быть получены с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM)(рисунок 7)для подтверждения ошибки выравнивания.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Благодаря оптимизации и использованию MMAA(рисунок 1)были изготовлены многослойные мастер-формы с минимальной погрешностью выравнивания. Окончательная MMAA была изготовлена с использованием процесса 3D-печати с плавленой нитью (FFF)(рисунок 2). Процесс FFF повышает точность для желаемых размеров устройства. MMAA состоит из двух основных частей(рисунок 3):базовой части и пользовательского крепежа. Базовая часть состоит из блока воздействия ультрафиолета, который действует как держатель пластины. Блок воздействия ультрафиолета позволяет правильно выровнить фотомаску и кремниевую пластину с покрытием. Вторая часть - это пользовательский крепеж, который фиксирует держатель пластины на платформе микроскопа с помощью магнитов. Вся установка, используемая для помощи в выравнивании верхнего и нижнего слоев двухслойной мастер-формы, показана на рисунке 4. Эта система и описанный протокол использовались для выравнивания маркеров на фотомаске с маркерами на начальном слое мастер-формы(рисунок 6). Затем была изготовлена двухслойная мастер-форма SU-8 для микрофлюидного устройства с рисунком елочкой, и было показано, что между двумя слоями расстояние зазора составляет <5 мкм(рисунок 5).
Затем двухслойная мастер-форма(рисунок 7A)была использована для изготовления микрочипов PDMS, которые можно увидеть на рисунке 7D. Изображения SEM, показанные на рисунке 7B,C, показывают, что микрофлюидное устройство с рисунком елочкой содержит четкие края, стенки прямых каналов и хорошо выровненные слои, которые необходимы для правильной функциональности устройства. Кроме того, с использованием MMAA была создана четырехслойная мастер-форма с простыми круглыми признаками(рисунок 8A),чтобы показать успешное выравнивание многослойной мастер-формы. Данные профилометра(рисунок 8B)подтверждают четыре отдельных слоя основной формы. Измерения, полученные погрешностью выравнивания для нескольких четырехслойных объектов различной геометрии, подтверждают, что погрешность выравнивания не превышает 5% от расчетного расстояния между слоями. Из изображений конечного устройства видно, что человеческая ошибка при фиксации маски на MMAA перед УФ-экспозицией второго слоя увеличила расстояние между двумя слоями устройства и вызвала перекос. Однако, по мере того, как пользователь становится более знакомым с процедурой, конечное устройство может быть изготовлено с результирующей ошибкой выравнивания <10 мкм, что подтверждается изображенными результатами.
Рисунок 1:Проектирование 3D-печатаемого MMAA для многослойного микропроизводства. На иллюстрации изображены две части MMAA: блок воздействия ультрафиолета и пользовательский крепеж микроскопа. Блок воздействия ультрафиолета вмещает в порядке убывания стеклянную верхнюю пластину, которая удерживает фотомаску на пластине; фотомада; и пластина с фоторезистической оболочкой. Блок воздействия ультрафиолета затем магнитно прикрепляется к пользовательскому креплению микроскопа, который прикрепляется к ступени микроскопа, а затем позволяет правильно выровнить фотомаску и пластину. Сокращения: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа; УФ = ультрафиолет. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2:Настройка и 3D-печать MMAA и постобработка для полностью отвержденным устройства. (A) Фотография лотка доступной системы излучения ультрафиолетового излучения, показывающая необходимые измерения, необходимые для настройки MMAA. Пользователь должен измерить диаметр (d) внутреннего круглого обода, внутреннюю высоту (h), общую ширину (w) и длину (l) лотка. (B) После настройки MMAA должен расположиться внутри лотка, как показано здесь. (C) Иллюстрация процесса 3D-печати FFF. Процесс FFF создает структуры путем наслоения 3D-печатной нити. Нить наносится тонкими слоями, один поверх следующего, до тех пор, пока не будет изготовлена окончательная 3D-печатная деталь. (D) Отверждение окончательного 3D-печатного MMAA в камере УФ-отверждения в рамках процесса постпечати. Сокращения: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа; УФ = ультрафиолет; FFF = изготовление плавленой нити. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3:3D-печатные куски MMAA. (A) Две части были соединены магнитами (обозначены красным пунктирным прямоугольником). (B)MMAA, содержащая кремниевую пластину, покрытую тонким слоем фоторезиста (SU-8). (C)MMAA с фотомаской поверх кремниевой пластины с покрытием при подготовке к процессу выравнивания. Аббревиатура: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4:Процедура использования 3D-печатной MMAA для выравнивания фотомаски. (A) После того, как MMAA была загружена кремниевой пластиной с фоторезистическим покрытием, MMAA затем помещается на сцену вертикальной системы микроскопа и фиксируется на сцене с помощью крепления магнитного микроскопа, как показано на изображении. (B) Затем фотомаска вставляется в MMAA и прикрепляется к платформе регулировки z-направления, иначе известной как ножничный подъемник, через одну из сторон MMAA, как показано на изображении. (C) Высота платформы ножничного подъемника затем регулируется до тех пор, пока фотомасама не будет лягте прямо над кремниевой пластиной с покрытием, как показано на изображении. С этого момента фотомаску не перемещают до тех пор, пока не будет завершено выравнивание. (D)Для достижения идеального выравнивания положение MMAA и, следовательно, кремниевой пластины на ступени микроскопа затем регулируется в направлениях x и y с помощью ручек микроскопа, как показано на изображении. Положения x и y кремниевой пластины точно регулируются, в то время как пользователь наблюдает через объектив микроскопа, пока маркеры выравнивания на кремниевой пластине и фотомаске не будут наложены. Как только это будет достигнуто, фотомаска может быть прикреплена к пластине. (E)После достижения выравнивания MMAA тщательно отделяется от ступени микроскопа и помещается в лоток системы воздействия ультрафиолетового света. Лоток можно закрыть, чтобы пластина могла подвергаться ультрафиолетовому облучению, чтобы вылечить фоторезист. Аббревиатура: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5:Двухслойная канальная структура, созданная с помощью MMAA. Двухслойная мастер-форма предназначена для производства микрофлюидных устройств «елочка» с четырьмя параллельными каналами. (A) Изображение конструкции фотомаски первого слоя, которая включает в себя контур каналов и генерирует полый полый пол микрофлюидного устройства. (B) Изображение конструкции фотомаски второго слоя, которая включает в себя рисунок елочкой внутри каналов, которые выстилают крышу микрофлюидного устройства. (C) Входная структура двухслойной мастер-формы, обозначенная красными пунктирными прямоугольниками в (A) и (B). На изображении показано минимальное расстояние между двумя слоями. (D)Участок двухслойной мастер-формы, показывающий изгиб в канале, обозначенный зелеными пунктирными прямоугольниками в(A)и(B). Расстояние между двумя стрелками составляет 5 мкм. Шкала стержней = 100 мкм. Аббревиатура: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6:Результаты микрофабрикации с помощью MMAA. (A) и (B) показывают выравнивание маркеров на фотомаске. Шкала полос = 200 мкм. (C) и (D) являются соответствующими изображениями маркеров на пластине после экспозиции. Шкала стержней = 100 мкм. Аббревиатура: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7:Основная форма, подготовленная с использованием MMAA и полученного устройства PDMS, изготовленного из главной формы. (A)Двухслойная главная форма микрофлюидного устройства елочкой, приготовленная с использованием MMAA для достижения выравнивания слоев. (B) и (C) - это SEM изображения устройства елочкой в разных масштабах с красными стрелками, указывающими на нижний слой. (D) Микрофлюидное устройство PDMS с рисунком елочкой, выполненное с использованием двухслойной мастер-формы в (A). Сокращения: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа; PDMS = поли(диметилсилоксан); SEM = сканирующая электронная микроскопия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8:Данные изображения и профилометра четырехслойной мастер-формы, созданной с использованием MMAA. (A) Изображение четырехслойной мастер-формы, созданной с использованием MMAA, показывающее успешное выравнивание слоев. Простые круговые элементы в убывающих размерах были выбраны, чтобы продемонстрировать возможность выравнивания MMAA. Шкала стержня = 1 250 мкм. (B) Данные профилометра той же круглой четырехслойной мастер-формы, подтверждающие наличие четырех различных слоев. Сокращения: MMAA = адаптер выравнивания маски микроскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Супплеманталический материал. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Вышеупомянутый протокол описывает процедуру 3D-печати MMAA и использования системы для создания точной, многослойной, микрофлюидной формы устройства. Хотя устройство легко использовать, в протоколе есть критические шаги, которые требуют практики и ухода для обеспечения надлежащего выравнивания слоев основной формы. Первым важным шагом является проектирование MMAA. При проектировании MMAA важно определить точные измерения для устройства, которые позволят правильно вписаться в систему воздействия ультрафиолетового света. Смещение устройства может привести к неравномерному воздействию ультрафиолетового света, что может создать деформации основных характеристик пресс-формы. Вторым важным шагом является осторожность при выравнивании первого и второго слоев мастер-формы при использовании MMAA. После выравнивания фотомаски второго слоя с маркерами выравнивания первого слоя крайне важно, чтобы пользователь соблюдал большую осторожность при фиксации фотомаски на пластине и MMAA. Микронные характеристики означают, что любое небольшое смещение из-за движения фотомаски во время фиксации может создать ошибки выравнивания, которые могут сделать конечное устройство PDMS непригодным для использования. Поэтому этот шаг требует точности, которую можно развить на практике с помощью MMAA. Последним важным шагом является обеспечение отсутствия зазора между фотомаской и пластиной с покрытием, чтобы обеспечить равномерное воздействие ультрафиолетового света. Этот метод использования MMAA для создания многослойных мастер-форм ограничен вниманием к деталям и заботой пользователя при следовании заданному протоколу, поскольку критические шаги, описанные выше, должны соблюдаться для обеспечения хорошо выровненных слоев.
Многослойные микрофлюидные устройства, как правило, трудно производить с небольшой погрешностью, если нет традиционного оборудования для выравнивания. Это оборудование является дорогостоящим и из-за своей чувствительности требует специальной подготовки и, как правило, чистой комнаты, которая не всегда доступна для небольших лабораторий. Кроме того, ранее опубликованные на заказ элайнеры для масок обычно требуют покупки и сборки множества различных деталей, что все еще может сделать платформы дорогими в производстве и сложными в использовании12,13,14. Значение MMAA заключается в том, что это простая в изготовлении и экономичная альтернатива стандартному оборудованию, используемому для изготовления многослойных микрофлюидных устройств. Кроме того, MMAA не требует специальной подготовки для его использования, так как его применение довольно простое и использует стандартное лабораторное оборудование, уже присутствующее в лабораториях, которые регулярно производят и используют микрофлюидные устройства. Это позволяет небольшим и ограниченным ресурсам лабораториям производить многослойные микрофлюидные устройства с улучшенной функциональностью.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Центр трансформационного опыта бакалавриата из Техасского технического университета за предоставление финансирования для этого проекта. Авторы также хотели бы отметить поддержку со стороны департамента химической инженерии Техасского технического университета.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament | Provided by the Texas Tech University 3D printing facility | ||
| BX53, Upright Microscope | Olympus | ||
| Form 2, Stereolithography 3D printer | Formlabs | ||
| Advanced Hot Plate Stirrer | VWR | 97042-642 | |
| Isoproyl Alcohol, 70% (v/v) | VWR | BDH7999-4 | |
| Light Colored Marker | Sharpie | ||
| Magnets, 3 mm x 3 mm | WOTOY | ASIN #: B075PLVW8W | |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | DOW | 4019862 | |
| Petri Dish, 150 mm x 15 mm | VWR | 25384-326 | |
| Printed Photomasks | CAD/Art Services, Inc. | ||
| Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor Lift | VWR | 12620-904 | |
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Sodium Hydroxide | VWR | ||
| Sonication Bath | Branson | CPX3800H | |
| Spin Coater | Laurell Technologies Corporation | Model WS-650MZ-23NPPB | |
| STRATASYS SR-30 | MakerBot Industries, LLC | SR-30 | Dissolvable support material for 3D printing |
| Stratasys uPrint SE 3D Printer | Computer Aided Technology, LLC | ||
| SU-8 50 | Kayaku | Y131269 0500L1GL | |
| SU-8 100 | Kayaku | Y131273 0500L1GL | |
| SU-8 Developer | Kayaku | Y020100 4000L1PE | |
| Super glue | Gorilla Glue | ||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
| Tape | Scotch | ||
| Form Cure, UV Curing Chamber | Formlabs | FH-CU-01 | |
| UV-KUB2, UV Light-Exposure Box | Kloe | UV-KUB2 |
References
- Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
- Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
- Kong, D. S., Carr, P. A., Chen, L., Zhang, S., Jacobson, J. M. Parallel gene synthesis in a microfluidic device. Nucleic Acids Research. 35 (8), 61 (2007).
- Yang, M., Li, C. -W., Yang, J. Cell docking and on-chip monitoring of cellular reactions with a controlled concentration gradient on a microfluidic device. Analytical Chemistry. 74 (16), 3991-4001 (2002).
- Keles, H., et al. Development of a robust and reusable microreactor employing laser based mid-IR chemical imaging for the automated quantification of reaction kinetics. Organic Process Research & Development. 21 (11), 1761-1768 (2017).
- Losey, M. W., Jackman, R. J., Firebaugh, S. L., Schmidt, M. A., Jensen, K. F. Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction. Journal of Microelectromechanical Systems. 11 (6), 709-717 (2002).
- Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
- Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
- Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 33 (1), 43-48 (2018).
- Lee, H., et al. A pumpless Multi-Organ-on-a-Chip (MOC) combined with a Pharmacokinetic-Pharmacodynamic (PK-PD) model. Biotechnology and Bioengineering. 114 (2), 432-443 (2017).
- Kang, S. -W. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. Wang, M. , IntechOpen. 403-426 (2010).
- Challa, P. K., Kartanas, T., Charmet, J., Knowles, T. P. J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LED-lithography patterning. Biomicrofluidics. 11, 014113 (2017).
- Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
- Pham, Q. L., Tong, N. -A. N., Mathew, A., Voronov, R. S. A compact low-cost low-maintenance open architecture mask aligner for fabrication of multilayer microfluidics devices. Biomicrofluidics. 12 (4), 044119 (2018).
- Ravi, T., Ranganathan, R. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. , Springer. Singapore. 189-198 (2019).
- SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials. , Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020).
