Summary
Ce projet permet aux petits laboratoires de développer une plateforme facile à utiliser pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis. La plate-forme se compose d’un adaptateur d’alignement de masque de microscope imprimé en trois dimensions à l’aide duquel des dispositifs microfluidiques multicouches avec des erreurs d’alignement de <10 μm ont été réalisés.
Abstract
Ce projet vise à développer une plate-forme facile à utiliser et rentable pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis, ce qui ne peut généralement être réalisé qu’en utilisant un équipement coûteux dans une salle blanche. L’élément clé de la plate-forme est un adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA) imprimé en trois dimensions (3D) compatible avec les microscopes optiques ordinaires et les systèmes d’exposition à la lumière ultraviolette (UV). Le processus global de création de l’appareil a été considérablement simplifié en raison du travail effectué pour optimiser la conception de l’appareil. Le processus consiste à trouver les dimensions appropriées pour l’équipement disponible en laboratoire et à imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications optimisées. Les résultats expérimentaux montrent que le MMAA optimisé conçu et fabriqué par impression 3D fonctionne bien avec un microscope commun et un système d’exposition à la lumière. À l’aide d’un moule maître préparé par le MMAA imprimé en 3D, les dispositifs microfluidiques résultants avec des structures multicouches contiennent des erreurs d’alignement de <10 μm, ce qui est suffisant pour les micropuces courantes. Bien que l’erreur humaine lors du transport de l’appareil vers le système d’exposition aux rayons UV puisse entraîner des erreurs de fabrication plus importantes, les erreurs minimales obtenues dans cette étude peuvent être obtenues avec pratique et soin. De plus, le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications au fichier de modélisation dans le système d’impression 3D. Ce projet fournit aux petits laboratoires un outil de recherche utile car il ne nécessite que l’utilisation d’équipements qui sont généralement déjà disponibles pour les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. Le protocole détaillé suivant décrit le processus de conception et d’impression 3D pour le MMAA. En outre, les étapes d’acquisition d’un moule maître multicouche utilisant le MMAA et de production de puces microfluidiques en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) sont également décrites ici.
Introduction
Un domaine bien développé et prometteur dans la recherche en ingénierie est la microfabrication en raison de la vaste étendue des applications utilisant des plates-formes microfluidiques. La microfabrication est un processus dans lequel les structures sont produites avec des caractéristiques de taille μm ou plus petite en utilisant différents composés chimiques. Au fur et à mesure que la recherche microfluidique s’est développée au cours des 30 dernières années, la lithographie douce est devenue la technique de microfabrication la plus populaire pour produire des micropuces en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) ou des substances similaires. Ces micropuces ont été largement utilisées pour la miniaturisation des pratiques de laboratoire courantes1,2,3,4 et sont devenues de puissants outils de recherche pour les ingénieurs pour imiter les processus de réaction5,6,7, étudier les mécanismes de réaction et imiter les organes trouvés dans le corps humain in vitro (par exemple, organe sur puce)8,9,10. Cependant, à mesure que la complexité de l’application augmente, il est typique qu’une conception de dispositif microfluidique plus complexe permette une meilleure réplication du système réel qu’il est destiné à imiter.
La procédure de lithographie douce de base consiste à recouvrir un substrat d’une substance photorésistante et à placer un photomasque sur le substrat revêtu avant de soumettre le substrat à la lumière UV11. Le photomasque a des régions transparentes qui imitent le motif souhaité des canaux microfluidiques du dispositif. Lors de la mise en service du substrat revêtu à la lumière UV, les régions transparentes permettent à la lumière UV de pénétrer à travers le photomasque, ce qui provoque la réticulation de la résine photosensible. Après l’étape d’exposition, la photorésisse non réticulée est emportée à l’aide d’un révélateur, laissant des structures solides avec le motif prévu. À mesure que la complexité des dispositifs microfluidiques augmente, ils nécessitent une construction à plusieurs couches avec des dimensions extrêmement précises. Le processus de microfabrication multicouche est beaucoup plus difficile que la microfabrication monocouche.
La microfabrication multicouche nécessite un alignement précis des caractéristiques de la première couche avec les conceptions du deuxième masque. Normalement, ce processus est effectué à l’aide d’un aligneur de masque commercial, ce qui est coûteux et nécessite une formation pour faire fonctionner la machine. Ainsi, le processus de microfabrication multicouche est généralement inaccessible pour les petits laboratoires qui n’ont pas les fonds ou le temps nécessaires pour de telles entreprises. Alors que plusieurs autres aligneurs de masques sur mesure ont été développés, ces systèmes nécessitent souvent l’achat et l’assemblage de nombreuses pièces différentes et peuvent encore être assez complexes12,13,14. Cela est non seulement coûteux pour les petits laboratoires, mais nécessite également du temps et de la formation pour construire, comprendre et utiliser le système. L’aligneur de masque détaillé dans ce document visait à atténuer ces problèmes car il n’est pas nécessaire d’acheter de l’équipement supplémentaire, nécessitant uniquement un équipement qui est généralement déjà présent dans les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. En outre, l’aligneur de masque est fabriqué par impression 3D, qui, avec les progrès récents de la technologie d’impression 3D, est devenue facilement disponible pour la plupart des laboratoires et des universités à un coût abordable.
Le protocole détaillé dans ce document vise à créer un aligneur de masque alternatif rentable et facile à utiliser. L’aligneur de masque détaillé ici peut rendre la microfabrication multicouche réalisable pour les laboratoires de recherche sans installations de fabrication conventionnelles. En utilisant l’adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA), des micropuces fonctionnelles aux caractéristiques complexes peuvent être obtenues à l’aide d’une source de lumière UV ordinaire, d’un microscope optique et d’un équipement de laboratoire commun. Les résultats montrent que le MMAA fonctionne bien avec un exemple de système utilisant un microscope vertical et une boîte d’exposition à la lumière UV. Le MMAA produit à l’aide du procédé d’impression 3D a été utilisé pour acquérir un moule maître bicouche d’un dispositif microfluidique à chevrons avec un minimum d’erreurs d’alignement. À l’aide du moule maître fabriqué avec un MMAA imprimé en 3D, des dispositifs microfluidiques ont été préparés avec des structures multicouches contenant des erreurs d’alignement de 10 μm <. L’erreur d’alignement de <10 μm est suffisamment minime pour ne pas entraver l’application du dispositif microfluidique.
En outre, l’alignement réussi d’un moule maître à quatre couches produit à l’aide du MMAA a été confirmé et les erreurs d’alignement ont été déterminées comme 10 μm <. La fonctionnalité du dispositif microfluidique et les erreurs d’alignement minimales valident l’application réussie du MMAA dans la création de dispositifs microfluidiques multicouches. Le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications mineures au fichier dans l’imprimante 3D. Le protocole suivant décrit les étapes nécessaires pour affiner le MMAA afin de l’adapter à l’équipement disponible dans chaque laboratoire et imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications requises. En outre, le protocole détaille comment développer un moule maître multicouche à l’aide du système et produire ensuite des dispositifs microfluidiques PDMS à l’aide du moule maître. La génération du moule maître et des puces microfluidiques permet ensuite à l’utilisateur de tester l’efficacité du système.
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Protocol
1. Conception de la MMAA
- Obtenir les dimensions du plateau du système d’émission de lumière UV disponible pour qu’elles soient la limite supérieure des dimensions du porte-plaquette (ou de l’unité d’exposition UV) illustrées à la figure 1. Comme le montre la figure 2A,mesurez le diamètre (d) de la jante circulaire intérieure, la hauteur intérieure (h) du plateau du système d’émission de lumière UV, la largeur totale (w) et la longueur (l) du plateau.
REMARQUE: À titre d’exemple, le système d’exposition à la lumière UV disponible avait des dimensions de plateau intérieur de 5 pouces (« ) x 5 « x 0,25 » avec une découpe circulaire de 4 « . Les dimensions du MMAA ont ensuite été conçues pour ne pas être supérieures aux dimensions du plateau intérieur pour s’adapter correctement et s’asseoir à plat dans le plateau du système, comme le montre la figure 2B. Voir la figure 3 pour les pièces imprimées en 3D du MMAA : plaquette de silicium revêtue de photorésine et une fixation pour fixer la configuration au microscope. - Mesurez la longueur entre les vis de l’étage de microscope vertical disponible qui maintiennent le porte-lames en place. De plus, mesurez la largeur des vis. Appliquez ces dimensions pour personnaliser le support magnétique (Figure 1) pour s’adapter au microscope disponible afin de permettre une fixation facile et précise du MMAA au microscope (Figure 4A).
- À l’aide d’une application de conception informatique disponible, personnalisez le porte-plaquettes et la fixation du microscope magnétique pour qu’ils s’adaptent aux dimensions mesurées. Concevez la hauteur, la largeur et la longueur du porte-plaquettes de sorte qu’elles ne soient pas supérieures à la hauteur (h), à la largeur (w) et à la longueur (l) du plateau du système d’émission de lumière UV. De plus, incluez la découpe circulaire au bas du porte-plaquettes avec le même diamètre (d) que le plateau du système d’émission de lumière UV. Générez des fichiers STL ou CAO pour les deux pièces du MMAA à utiliser pour l’impression 3D de l’appareil (voir Matériel supplémentaire).
2.3D Impression du MMAA
- Téléchargez les fichiers STL ou CAO générés sur le logiciel d’impression 3D disponible. Imprimez en 3D les deux pièces du MMAA en suivant la procédure appropriée pour le processus 3D et l’imprimante utilisés. Complétez les pièces en suivant toutes les étapes de post-impression requises (par exemple, retrait du matériau de support, retrait de la résine non durcie, étapes supplémentaires de lavage ou de durcissement). Vous pouvez également utiliser une installation d’impression 3D disponible pour que les pièces conçues aient été imprimées et complétées ailleurs.
- Assurez-vous que le porte-plaquettes s’adapte bien et se trouve à plat à l’intérieur du plateau du système d’exposition aux rayons UV disponible(Figure 2B). De plus, assurez-vous que la fixation du microscope est fixée à l’étage du microscope et peut être déplacée facilement à l’aide des boutons qui contrôlent les positions x et y de l’étage du microscope(Figure 4A).
- Une fois les pièces finalisées, insérez et fixez les aimants dans le porte-plaquettes et la fixation du microscope(Figure 3A),à l’aide de super colle ou de toute autre substance de fixation. Laissez sécher la colle avant de tester le système.
REMARQUE: Si vous le souhaitez, une pièce de protype peut d’abord être imprimée à l’aide d’une imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) pour économiser des ressources et de l’argent15. Ce protype peut ensuite être évalué pour un ajustement précis à l’équipement disponible, et la conception peut ensuite être modifiée, si nécessaire. L’appareil final peut ensuite être imprimé à l’aide d’un processus plus précis (par exemple, la stéréolithographie) pour une meilleure précision. L’appareil final peut également être imprimé avec une finition translucide pour une utilisation optimale au microscope.
3. Essais expérimentaux du MMAA
- Conception et impression des photomasques de dispositif microfluidique avec marqueurs d’alignement
- Utilisez une application de conception informatique pour concevoir des photomasques pour le dispositif microfluidique bicouche souhaité.
- Inclure des structures supplémentaires sur le côté des structures de canaux du dispositif microfluidique qui agiront comme des marqueurs d’alignement (plus près du bord du photomasque / moule maître) comme illustré à la figure 5A,B. Assurez-vous qu’il y a un marqueur d’alignement de chaque côté du dispositif microfluidique (pour un total d’au moins quatre). De plus, assurez-vous que le photomasque contient un bord droit qui peut s’aligner parfaitement avec le bord droit de la plaquette de silicium.
REMARQUE: La complexité plus élevée de la structure du marqueur d’alignement permettra une plus grande précision d’alignement des couches supplémentaires. Au minimum, une structure transversale simple avec des mesures de 1 mm x 1 mm devrait être utilisée (Figure 6A). Un exemple des marqueurs d’alignement peut être vu dans les coins et le bord central inférieur de la figure 5A,B, qui représentent les photomasques de première et deuxième couche utilisés pour générer un moule maître à double couche. - Imprimez les photomasques par l’intermédiaire d’un fournisseur commercial ou d’autres installations accessibles
- Création du moule maître bicouche à l’aide du MMAA (photolithographie)
- En utilisant les techniques de photolithographie standard et les instructions du fabricant de la photorésine, créez la première couche du moule maître à l’aide du photomasque de la première couche16. Utilisez une plaquette de silicium de 4 po avec la photorésine appropriée (c.-à-d. SU-8) pour créer l’épaisseur de couche souhaitée. Assurez-vous que l’épaisseur de la première couche est supérieure à celle des couches suivantes pour faciliter l’identification des marqueurs d’alignement.
- Utilisez un stylo marqueur de couleur claire (par exemple, de l’or) pour colorer les marqueurs d’alignement du premier calque sur les quatre côtés.
- En utilisant les instructions du fabricant de la résine photosensible, initiez la deuxième couche du moule maître en enroulant la résine photosensible sur la plaquette et en effectuant la cuisson douce16. Insérez la plaquette revêtue dans le support de plaquette du MMAA(Figure 3B)et fixez la plaquette revêtue au MMAA à l’aide de ruban adhésif.
- Fixez le porte-plaquette au microscope vertical disponible à l’aide de la fixation du microscope magnétique (Figure 4A). Déplacez la position du MMAA à l’aide des boutons de direction x et y de l’étage du microscope jusqu’à ce que l’un des marqueurs d’alignement colorés sur la plaquette soit visible à travers la lentille du microscope.
- Insérez le photomasque de deuxième couche dans le porte-plaquette, au-dessus de la plaquette revêtue (Figure 3C). Assurez-vous que les marqueurs d’alignement colorés de la première couche peuvent être partiellement vus à travers les marqueurs d’alignement sur le photomasque.
- Fixez le photomasque à un élévateur à ciseaux (également appelé prise de support) à travers l’une des découpes latérales(Figure 4B)avec du ruban adhésif. Utilisez l’élévateur à ciseaux pour ajuster la position dans la direction z du photomasque jusqu’à ce qu’il se trouve juste au-dessus de la plaquette revêtue(Figure 3C).
REMARQUE: L’élévateur à ciseaux permet un réglage fin de la position z du photomasque, car l’élévateur à ciseaux peut être utilisé pour déplacer la position du photomasque attaché dans la direction z. - Tout en gardant le photomasque immobile, regardez à travers la lentille du microscope et identifiez les marqueurs d’alignement colorés de la première couche sous les marqueurs d’alignement du photomasque. Utilisez les boutons de direction x et y de l’étage du microscope pour déplacer la position du MMAA(Figure 4D). Ajuster la position du MMAA jusqu’à ce que le marqueur d’alignement sur le photomasque soit superposé au marqueur d’alignement coloré sur la première couche(Figure 6A,B)en observant la position des marqueurs d’alignement à travers la lentille du microscope.
- Appliquez soigneusement une légère force sur le photomasque et utilisez du ruban adhésif pour fixer le photomasque en place sur le dessus de la plaquette enduite. Détachez le photomasque de l’élévateur à ciseaux. Assurez-vous que les quatre marqueurs d’alignement sur le photomasque sont alignés avec les quatre marqueurs d’alignement de la première couche.
- Une fois l’alignement réalisé, détachez soigneusement le porte-plaquette de l’étage du microscope. Insérez la plaque supérieure en verre sur le dessus de la plaquette et du photomasque pour réduire l’écart entre les deux pièces (Figure 1). Placez l’ensemble du porte-plaquettes dans le système d’exposition à la lumière UV disponible, comme illustré à la figure 4E. Exposez la deuxième couche pendant le temps et l’intensité lumineuse appropriés, comme décrit dans les instructions du fabricant de la photorésistante16.
- Retirez le porte-plaquettes du système d’exposition aux rayons UV. Retirez la plaquette enduite du porte-plaquette et détachez le photomasque de la plaquette. Terminer le traitement de la deuxième couche (p. ex., après la cuisson, le développement, le rinçage et le séchage) conformément aux instructions du fabricant de la photorésiste16.
REMARQUE: Le revêtement de spin exact, la cuisson douce, l’exposition, la post-cuisson et les conditions de développement (temps, température) varient en fonction de la résine photoserésique utilisée et de l’épaisseur de couche souhaitée. Les conditions réelles et la procédure de photolithographie exacte doivent être basées sur les instructions du fabricant de la photorésine.
- Préparation d’un dispositif microfluidique à l’aide du moule maître (lithographie douce)
- Récupérez le moule maître et fixez-le au milieu d’une boîte de Petri en plastique de 150 mm x 15 mm avec du ruban adhésif.
- Préparez environ 15 à 20 g de PDMS en fonction des instructions du fabricant. Placez le PDMS dans une chambre à vide ou laissez-le reposer jusqu’à ce qu’il soit exempt de bulles. Versez le PDMS dans la boîte de Petri contenant le moule maître.
- Laissez la boîte de Petri avec le moule principal reposer sur le comptoir jusqu’à ce que le PDMS soit exempt de bulles. Placer la boîte de Petri dans un four à 65 °C jusqu’à ce que le PDMS soit complètement durci (au moins 3 h).
- Découpez le PDMS pour révéler les structures des microcanaux. Coupez le PDMS autour des structures de microcanaux en micropuces séparées et créez les trous d’entrée et de sortie pour le dispositif microfluidique. Utilisez du ruban adhésif pour éliminer doucement les petites particules qui peuvent se trouver sur la surface du PDMS.
- Terminez la fabrication de la micropuce en liant la puce PDMS au PDMS ou à une lame de microscope en traitant au plasma la puce PDMS et le substrat supplémentaire.
- Détermination de l’erreur d’alignement
- Récupérez le moule principal et utilisez le microscope vertical pour déterminer la distance d’écart (erreur d’alignement) entre la première couche et la deuxième couche. Pour ce faire, mesurez simplement la distance à laquelle la deuxième couche est décalée et désalignée par rapport à la première couche sur les structures de microcanaux (voir la figure 5D pour un exemple de distance d’écart mesurée).
- Utilisez le microscope vertical pour déterminer si la puce PDMS contient des parois de canaux droites avec des bords clairs. En outre, vérifiez la puce PDMS pour tout défaut possible qui pourrait entraver le fonctionnement de l’appareil.
REMARQUE: La fabrication du moule maître (sections 3.2 et 3.3) peut devoir être répétée pour obtenir une erreur d’alignement plus faible. Il est démontré que la pratique répétée de l’utilisation du MMAA améliore la capacité de l’utilisateur à créer un moule maître bien aligné. De plus, les images peuvent être obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB)(Figure 7)pour confirmer l’erreur d’alignement.
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Representative Results
Grâce à l’optimisation et à l’utilisation du MMAA(Figure 1),des moules maîtres multicouches avec une erreur d’alignement minimale ont été fabriqués. Le MMAA final a été fabriqué à l’aide du procédé d’impression 3D FFF (Fused Filament Fabrication)(Figure 2). Le processus FFF confère une précision accrue pour les dimensions souhaitées de l’appareil. Le MMAA se compose de deux pièces principales(Figure 3): la pièce de base et la fixation personnalisée. La pièce de base se compose de l’unité d’exposition aux UV, qui agit comme le porte-plaquette. L’unité d’exposition aux UV permet un alignement correct du photomasque et de la plaquette de silicium revêtue. La deuxième pièce est la fixation personnalisée qui fixe le porte-plaquette à la plate-forme du microscope avec des aimants. L’ensemble de la configuration utilisée pour faciliter l’alignement des couches supérieure et inférieure du moule maître à double couche est représenté à la figure 4. Ce système et le protocole décrit ont été utilisés pour l’alignement des marqueurs sur le photomasque avec les marqueurs sur la couche initiale du moule maître (Figure 6). Le moule maître SU-8 à double couche pour un dispositif microfluidique avec un motif à chevrons a ensuite été fabriqué et il a été démontré qu’il avait une distance d’écart de <5 μm entre les deux couches(Figure 5).
Le moule maître à deux couches(figure 7A)a ensuite été utilisé pour fabriquer des micropuces PDMS que l’on peut voir à la figure 7D. Les images SEM vues à la figure 7B,C montrent que le dispositif microfluidique avec le motif à chevrons contient des bords clairs, des parois à canal droit et des couches bien alignées, qui sont essentielles au bon fonctionnement de l’appareil. En outre, un moule maître à quatre couches avec des caractéristiques circulaires simples(Figure 8A)a été créé à l’aide du MMAA pour montrer l’alignement réussi d’un moule maître multicouche. Les données du profilomètre(Figure 8B)confirment les quatre couches distinctes du moule maître. Les mesures prises de l’erreur d’alignement obtenue pour plusieurs caractéristiques à quatre couches de géométrie différente confirment que l’erreur d’alignement ne représente pas plus de 5 % de la distance prévue entre les couches. D’après les images de l’appareil final, il est clair qu’une erreur humaine lors de la fixation du masque sur le MMAA avant l’exposition aux UV de la deuxième couche a augmenté la distance d’écart entre les deux couches de l’appareil et a provoqué un désalignement. Cependant, à mesure que l’utilisateur se familiarise avec la procédure, l’appareil final peut être produit avec une erreur d’alignement résultante de <10 μm, comme le confirment les résultats décrits.
Figure 1: Conception d’un MMAA imprimable en 3D pour la microfabrication multicouche. L’illustration représente les deux pièces du MMAA: l’unité d’exposition aux UV et la fixation de microscope personnalisée. L’unité d’exposition aux UV abrite, par ordre décroissant, la plaque supérieure en verre, qui maintient le photomasque contre la plaquette; le photomasque; et la plaquette recouverte de photorésine. L’unité d’exposition aux UV est ensuite fixée magnétiquement à la fixation de microscope personnalisée, qui est fixée à l’étage du microscope, puis permet un alignement correct du photomasque et de la plaquette. Abréviations: MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope; UV = ultraviolet. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2: Personnalisation et impression 3D d’un MMAA et post-traitement pour un dispositif entièrement durci. (A) Photo du plateau du système d’émission de lumière UV disponible montrant les mesures nécessaires pour personnaliser le MMAA. L’utilisateur doit mesurer le diamètre (d) de la jante circulaire intérieure, la hauteur intérieure (h), la largeur totale (w) et la longueur (l) du plateau. (B) Après personnalisation, le MMAA doit alors s’asseoir à plat à l’intérieur du plateau comme indiqué ici. (C) Illustration du procédé d’impression 3D FFF. Le procédé FFF produit des structures en superposant le filament imprimé en 3D. Le filament est déposé en couches minces, l’une sur l’autre, jusqu’à ce que la pièce finale imprimée en 3D soit produite. (D) Le durcissement du MMAA final imprimé en 3D dans la chambre de durcissement UV dans le cadre du processus de post-impression. Abréviations: MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope; UV = ultraviolet; FFF = fabrication de filaments fondus. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3: Pièces imprimées en 3D d’un MMAA. (A) Deux pièces ont été reliées par des aimants (indiqués par un rectangle pointillé rouge). (B) MMAA contenant une plaquette de silicium recouverte d’une fine couche de résine photoseure (SU-8). (C) MMAA avec un photomasque sur la plaquette de silicium revêtue en préparation du processus d’alignement. Abréviation : MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4: Procédure d’utilisation d’un MMAA imprimé en 3D pour l’alignement du photomasque. (A) Une fois que le MMAA a été chargé avec la plaquette de silicium revêtue de photorésine, le MMAA est ensuite placé sur la scène d’un système de microscope vertical et fixé à la scène à l’aide de la fixation magnétique du microscope comme indiqué sur l’image. (B) Le photomasque est ensuite inséré dans le MMAA et fixé à la plate-forme de réglage de la direction z, également connue sous le nom de ciseaux élévateur, à travers l’un des côtés du MMAA comme indiqué sur l’image. (C) La hauteur de la plate-forme élévatrice à ciseaux est ensuite ajustée jusqu’à ce que le photomasque se trouve juste au-dessus de la plaquette de silicium revêtue, comme le montre l’image. À partir de ce moment, le photomasque n’est pas déplacé tant que l’alignement n’est pas terminé. (D) Pour obtenir un alignement parfait, la position du MMAA et, par conséquent, de la plaquette de silicium sur l’étage du microscope est ensuite ajustée dans les directions x et y à l’aide des boutons du microscope comme indiqué sur l’image. Les positions x et y de la plaquette de silicium sont finement ajustées, tandis que l’utilisateur observe à travers la lentille du microscope jusqu’à ce que les marqueurs d’alignement sur la plaquette de silicium et le photomasque soient superposés. Une fois cela réalisé, le photomasque peut ensuite être fixé à la plaquette. (E) Une fois l’alignement réalisé, le MMAA est soigneusement détaché de l’étage du microscope et placé dans le plateau du système d’exposition à la lumière UV. Le plateau peut être fermé afin que la plaquette puisse être exposée à l’irradiation UV pour durcir la photorésine. Abréviation : MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5: Structure de canal double couche créée à l’aide du MMAA. Le moule maître à double couche est conçu pour la production de dispositifs microfluidiques à chevrons à quatre canaux parallèles. (A) Image de la conception du photomasque de première couche, qui comprend le contour des canaux et génère le plancher creux du dispositif microfluidique. (B) Image de la conception du photomasque de deuxième couche, qui incorpore le motif à chevrons à l’intérieur des canaux qui bordent le toit du dispositif microfluidique. (C) Structure d’entrée du moule maître à double couche indiquée par des rectangles pointillés rouges en (A) et (B). L’image montre une distance d’écart minimale entre les deux calques. (D) Section du moule maître à double couche montrant une courbure dans le canal indiquée par des rectangles pointillés verts dans (A) et (B). La distance d’écart entre les deux flèches est de 5 μm. Barres d’échelle = 100 μm. Abréviation : MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6: Les résultats de la microfabrication avec le MMAA. (A) et (B) montrent l’alignement des marqueurs sur le photomasque. Les barres d’échelle = 200 μm. (C) et (D) sont les images correspondantes des marqueurs sur la plaquette après exposition. Barres d’échelle = 100 μm. Abréviation : MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7: Le moule maître préparé à l’aide du MMAA et le dispositif PDMS résultant fabriqué à partir du moule maître. (A) Moule maître double couche de dispositif microfluidique à chevrons préparé à l’aide du MMAA pour obtenir l’alignement des couches. (B) et (C) sont des images SEM du dispositif à chevrons à différentes échelles avec les flèches rouges pointant vers la couche inférieure. (D) Dispositif microfluidique PDMS avec motif à chevrons fabriqué à l’aide du moule maître à double couche en (A). Abréviations: MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope; PDMS = poly(diméthylsiloxane); MEB = microscopie électronique à balayage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8: Données d’image et de profilomètre d’un moule maître à quatre couches créé à l’aide du MMAA. (A) Image d’un moule maître à quatre couches créé à l’aide du MMAA montrant un alignement réussi des couches. Des caractéristiques circulaires simples de taille descendante ont été choisies pour démontrer la capacité d’alignement du MMAA. Barre d’échelle = 1 250 μm. (B) Données du profilomètre du même moule maître circulaire à quatre couches confirmant la présence des quatre couches distinctes. Abréviations: MMAA = adaptateur d’alignement de masque de microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Matériau souple et souple. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Le protocole susmentionné décrit la procédure d’impression 3D d’un MMAA et d’utilisation du système pour créer un moule maître de dispositif microfluidique précis et multicouche. Bien que l’appareil soit facile à utiliser, il existe des étapes critiques dans le protocole qui nécessitent de la pratique et des soins pour assurer un bon alignement des couches de moule principales. La première étape critique est la conception du MMAA. Lors de la conception du MMAA, il est essentiel de déterminer les mesures exactes de l’appareil qui permettront un ajustement approprié à l’intérieur du système d’exposition à la lumière UV. Un désalignement de l’appareil peut provoquer une exposition inégale à la lumière UV, ce qui peut créer des déformations des caractéristiques du moule maître. La deuxième étape critique consiste à prendre soin lors de l’alignement des première et deuxième couches du moule maître lors de l’utilisation du MMAA. Après avoir aligné le photomasque de deuxième couche avec les marqueurs d’alignement de la première couche, il est impératif que l’utilisateur prenne grand soin de fixer le photomasque à la plaquette et au MMAA. Les caractéristiques de la taille d’un micron signifient que tout petit désalignement dû au mouvement du photomasque pendant la fixation peut créer des erreurs d’alignement qui peuvent rendre le périphérique PDMS final inutilisable. Par conséquent, cette étape nécessite une précision qui peut être développée avec la pratique en utilisant le MMAA. La dernière étape critique consiste à s’assurer qu’il n’y a pas d’espace entre le photomasque et la plaquette revêtue pour assurer une exposition uniforme aux rayons UV. Cette technique d’utilisation du MMAA pour créer des moules maîtres multicouches est limitée par l’attention portée aux détails et au soin de l’utilisateur lorsqu’il suit le protocole donné, car les étapes critiques ci-dessus doivent être suivies pour assurer des couches bien alignées.
Les dispositifs microfluidiques multicouches sont généralement difficiles à produire avec peu d’erreurs, à moins que l’équipement d’alignement traditionnel ne soit disponible. Cet équipement est coûteux et, en raison de sa sensibilité, nécessite une formation spéciale et généralement un environnement de salle blanche qui n’est pas toujours disponible pour les petits laboratoires. En outre, les aligneurs de masques personnalisés précédemment publiés nécessitent généralement l’achat et l’assemblage de nombreuses pièces différentes, ce qui peut encore rendre les plates-formes coûteuses à produire et difficiles à utiliser12,13,14. L’importance du MMAA est qu’il s’agit d’une alternative facile à fabriquer et rentable à l’équipement standard utilisé pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches. De plus, le MMAA ne nécessite aucune formation particulière pour son utilisation, car son application est assez simple et utilise des équipements de laboratoire standard déjà présents dans les laboratoires qui produisent et utilisent régulièrement des dispositifs microfluidiques. Cela permet aux petits laboratoires aux ressources limitées de produire des dispositifs microfluidiques multicouches avec des fonctionnalités améliorées.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs tiennent à remercier le Center for Transformative Undergraduate Experiences de la Texas Tech University d’avoir financé ce projet. Les auteurs tiennent également à remercier le département de génie chimique de la Texas Tech University.
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
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