Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

תכנון ופיתוח מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ תלת מימדי לייצור התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים

Published: January 25, 2021 doi: 10.3791/61877
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, Texas Tech University
* These authors contributed equally

Summary

פרויקט זה מאפשר למעבדות קטנות לפתח פלטפורמה קלה לשימוש לייצור מכשירים מיקרופלואידיים מדויקים מרובי שכבות. הפלטפורמה מורכבת מתאם יישור מסכת מיקרוסקופ מודפס תלת מימדי באמצעותו הושגו התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים עם שגיאות יישור של <10 מיקרומטר.

Abstract

פרויקט זה נועד לפתח פלטפורמה קלה לשימוש וחסכונית לייצור מכשירים מיקרופלואידיים מדויקים ורב שכבתיים, שבדרך כלל ניתן להשיג רק באמצעות ציוד יקר בסביבת חדר נקי. החלק המרכזי של הפלטפורמה הוא מתאם יישור מסכת מיקרוסקופ מודפס תלת מימדי (MMAA) התואם למיקרוסקופים אופטיים רגילים ומערכות חשיפה לאור אולטרה סגולות (UV). התהליך הכולל של יצירת ההתקן היה פשוט בהרבה בגלל העבודה שנעשתה כדי למטב את עיצוב ההתקן. התהליך כרוך במציאת הממדים המתאימים לציוד הזמין במעבדה והדפסת תלת-ממד של MMAA עם המפרטים הממוטבים. תוצאות הניסוי מראות כי MMAA ממוטב תוכנן ומיוצר על ידי הדפסה 3D ביצועים טובים עם מיקרוסקופ משותף ומערכת חשיפה לאור. באמצעות תבנית מאסטר שהוכנה על ידי MMAA בהדפסה תלת-ממדית, ההתקנים המיקרופלואידיים המתקבלים עם מבנים רב שכבתיים מכילים שגיאות יישור של <10 מיקרומטר, אשר מספיק עבור שבבים נפוצים. למרות ששגיאת אנוש באמצעות הובלת המכשיר למערכת החשיפה לאור UV עלולה לגרום לשגיאות ייצור גדולות יותר, השגיאות המינימליות שהושגו במחקר זה ניתנות להשגה עם תרגול וטיפול. יתר על כן, ניתן להתאים אישית את MMAA כך שיתאים לכל מיקרוסקופ ומערכת חשיפה לקרינת UV על ידי ביצוע שינויים בקובץ הדוגמנות במערכת ההדפסה התלת-ממדית. פרויקט זה מספק מעבדות קטנות יותר עם כלי מחקר שימושי כפי שהוא דורש רק את השימוש בציוד כי הוא בדרך כלל כבר זמין למעבדות המייצרות ולהשתמש במכשירים microfluidic. הפרוטוקול המפורט הבא מתאר את העיצוב ואת תהליך ההדפסה בתלת-ממד עבור MMAA. בנוסף, השלבים להשגת תבנית מאסטר רב שכבתית באמצעות MMAA והפקת שבבים מיקרופלואידיים פולי (דימתילסילוקסן) (PDMS) מתוארים גם כאן.

Introduction

תחום מפותח ומבטיח במחקר הנדסי הוא מיקרו-פיכחון בגלל המרחב העצום של יישומים המעסיקים פלטפורמות מיקרופלואידיות. Microfabrication הוא תהליך שבו מבנים מיוצרים עם תכונות בגודל מיקרומטר או קטן יותר באמצעות תרכובות כימיות שונות. ככל שהתפתח מחקר מיקרופלואידי במהלך 30 השנים האחרונות, ליטוגרפיה רכה הפכה לטכניקת המיקרו-פיבריות הפופולרית ביותר שבאמצעותה ניתן לייצר שבבים העשויים מפולי (דימתילסילוקסן) (PDMS) או חומרים דומים. שבבים אלה שימשו באופן נרחב למזעור שיטותמעבדהנפוצות 1,2,3,4 והפכו לכלי מחקר רביעוצמה עבור מהנדסים לחקות תהליכיתגובה 5,6,7, מנגנוני תגובה מחקר, ולחקות איברים שנמצאו בגוף האדם במבחנה (למשל, איבר על שבב)8,9,10. עם זאת, ככל שהמורכבות של היישום גדלה, אופייני כי עיצוב מכשיר מיקרופלואידי מורכב יותר מאפשר שכפול טוב יותר של מערכת החיים האמיתיים שהוא נועד לחקות.

הליך הליתוגרפיה הרכה הבסיסית כרוך בציפוי מצע בחומר פוטוארסיסטי והצבת מסכת פוטו מעל המצע המצופה לפני חשיפת המצע לאור UV11. מסכת הצילום כוללת אזורים שקופים המחקים את התבנית הרצויה של ערוצי ההתקן המיקרופלואידיים. כאשר חושפים את המצע המצופה לאור UV, האזורים השקופים מאפשרים לאור UV לחדור דרך מסכת הצילום, מה שגורם לפוטורסיסט להיות מוצלב. לאחר שלב החשיפה, הפוטורסיסט הלא מקושר נשטף באמצעות מפתח, ומשאיר מבנים מוצקים עם התבנית המיועדת. ככל שהמורכבות של המכשירים המיקרופלואידיים גדלה, הם דורשים בנייה מרובת שכבות עם ממדים מדויקים ביותר. תהליך המיקרו-פייברציה הרב שכבתית קשה הרבה יותר בהשוואה למיקרו-פייברציה חד שכבתית.

מיקרו-פייבר רב שכבתי דורש יישור מדויק של תכונות השכבה הראשונה עם העיצובים במסכה השנייה. בדרך כלל, תהליך זה מתבצע באמצעות קשת מסכה מסחרית, שהיא יקרה ודורש הכשרה להפעלת המכונות. לכן, התהליך של microfabrication multilayer הוא בדרך כלל בלתי מושג עבור מעבדות קטנות יותר כי חסרים את הכספים או זמן עבור מאמצים כאלה. בעוד כמה קשתות מסכה מותאמות אישית אחרות פותחו, מערכות אלה דורשות לעתים קרובות רכישה והרכבה של חלקים רבים ושונים ועדיין יכולות להיות מורכבות למדי12,13,14. זה לא רק יקר עבור מעבדות קטנות יותר, אלא גם דורש זמן והכשרה כדי לבנות, להבין, ולהשתמש במערכת. מיישר המסכות המפורט במאמר זה ביקש להקל על בעיות אלה מכיוון שאין צורך ברכישת ציוד נוסף, אלא רק דורש ציוד שבדרך כלל כבר קיים במעבדות המייצרות ומשתמשות במכשירים מיקרופלואידיים. בנוסף, קשת המסכות מפוברקת על ידי הדפסה בתלת-ממד, שעם ההתקדמות האחרונה של טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד, הפכה לזמינה לרוב המעבדות והאוניברסיטאות בעלות סבירה.

הפרוטוקול המפורט במאמר זה נועד ליצור קשת מסיכה חלופית חסכונית וקלה להפעלה. מיישר המסכות המפורט כאן יכול להפוך את המיקרו-פייברציה הרב שכבתית לאפשרית למעבדות מחקר ללא מתקני ייצור קונבנציונליים. באמצעות מתאם יישור מסכת המיקרוסקופ (MMAA), ניתן להשיג שבבים פונקציונליים עם תכונות מורכבות באמצעות מקור אור UV רגיל, מיקרוסקופ אופטי וציוד מעבדה משותף. התוצאות מראות כי MMAA מבצע היטב עם מערכת לדוגמה באמצעות מיקרוסקופ זקוף תיבת חשיפה לאור UV. MMAA המיוצר באמצעות תהליך ההדפסה 3D שימש לרכישת תבנית מאסטר bilayer של התקן microfluidic הרינגבון עם שגיאות יישור מינימליות. באמצעות תבנית האב מפוברקת עם MMAA מודפס 3D, התקנים microfluidic הוכנו עם מבנים רב שכבתיים המכיל שגיאות יישור של <10 מיקרומטר. שגיאת היישור של <10 מיקרומטר היא מינימלית מספיק כדי לא לעכב את היישום של המכשיר microfluidic.

בנוסף, היישור המוצלח של תבנית מאסטר ארבע שכבות המיוצר באמצעות MMAA אושר, ושגיאות יישור נקבעו להיות <10 מיקרומטר. הפונקציונליות של ההתקן microfluidic ושגיאות יישור מינימלי לאמת את היישום המוצלח של MMAA ביצירת התקנים microfluidic רב שכבתי. ניתן להתאים אישית את MMAA כך שיתאים לכל מיקרוסקופ ומערכת חשיפה לקרינת UV על-ידי ביצוע שינויים קלים בקובץ במדפסת תלת-ממד. הפרוטוקול הבא מתאר את השלבים הדרושים להתאמה עדינה של MMAA כך שתתאים לציוד הזמין בכל מעבדה ולהדפיס בתלת-ממד את ה- MMAA עם המפרטים הנדרשים. בנוסף, הפרוטוקול מפרט כיצד לפתח תבנית מאסטר רב שכבתית באמצעות המערכת ולאחר מכן לייצר התקנים microfluidic PDMS באמצעות עובש מאסטר. יצירת עובש מאסטר ושבבים מיקרופלואידיים מאפשרת למשתמש לבדוק את האפקטיביות של המערכת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עיצוב MMAA

  1. השג את מידות המגש של מערכת פליטת אור UV הזמינה כגבול העליון למידות של מחזיק הוופל (או יחידת החשיפה לקרינת UV) המוצגים באיור 1. כפי שמוצג באיור 2A, מדוד את הקוטר (ד) של השוליים המעגליים הפנימיים, את הגובה הפנימי (h) של מגש פליטת האור UV, את הרוחב הכולל (w) ואת האורך (l) של המגש.
    הערה: כדוגמה, מערכת החשיפה לאור UV הזמינה הייתה בעלת מידות מגש פנימיות של 5 אינץ' (") x 5 אינץ' x 0.25 אינץ' עם חיתוך מעגלי בגודל 4 אינץ'. הממדים של MMAA תוכננו אז להיות לא גדולים יותר מממדי המגש הפנימי כדי להתאים כראוי ולשבת שטוח בתוך המגש של המערכת כפי שמוצג באיור 2B. ראו איור 3 לקבלת החלקים המודפסים בתלת-ממד של ה-MMAA: רקיק סיליקון מצופה פוטו-ארסיסט ומהדק כדי לתקן את ההתקנה למיקרוסקופ.
  2. מדוד את האורך בין הברגים בשלב המיקרוסקופ הזקוף הזמין שמחזיק את מחזיק השקופית במקומו. בנוסף, למדוד את רוחב הברגים. החל ממדים אלה כדי להתאים אישית את המחזיק המגנטי (איור 1) כדי להתאים למיקרוסקופ הזמין כדי לאפשר קיבוע קל ומדויק של MMAA למיקרוסקופ (איור 4A).
  3. באמצעות יישום עיצוב מחשב זמין, התאם אישית את מחזיק הוופל ואת מחבר המיקרוסקופ המגנטי כך שיתאים לממדים הנמדדים. עצב את הגובה, הרוחב והאורך של מחזיק הוופל כך שיהיו לא גדולים מהגובה (h), הרוחב (w) והאורך (l) של המגש של מערכת פליטת האור UV. בנוסף, כלול את החתך המעגלי בתחתית מחזיק הוופל בקוטר זהה (ד) למגש של מערכת פליטת האור UV. צור קבצי STL או CAD עבור שתי החלקים של MMAA שישמשו להדפסה תלת-ממדית של ההתקן (ראה חומר משלים).

2.3D הדפסת MMAA

  1. העלה את קבצי STL או CAD שנוצרו לתוכנת הדפסת התלת-ממד הזמינה. הדפס בתלת-ממד את שני החלקים של ה-MMAA על-ידי ביצוע ההליך המתאים עבור התהליך והמדפסת בתלת-ממד בהם נעשה שימוש. השלם את החלקים על ידי ביצוע כל השלבים הנדרשים לאחר ההדפסה (למשל, הסרת חומר תמיכה, הסרת שרף לא נצבר, שלבי כביסה או ריפוי נוספים). לחלופין, השתמש במתקן הדפסה תלת-ממדי זמין כדי להדפיס ולהשלים את החלקים המעוצבים במקום אחר.
  2. ודאו שמחזיק הוופל מתאים היטב ויושב שטוח בתוך המגש של מערכת החשיפה הזמינה לאור UV(איור 2B). בנוסף, ודאו כי מחבר המיקרוסקופ מחובר לשלב המיקרוסקופ וניתן להזיזו בקלות באמצעות הכפתורים השולטים במיקומים x ו- y של שלב המיקרוסקופ (איור 4A).
  3. לאחר השלמת החלקים, הכנס ותקן את המגנטים למחזיק הוופל ומהדק המיקרוסקופ (איור 3A), באמצעות דבק-על או כל חומר תיקון אחר. אפשר לדבק להתייבש לפני בדיקת המערכת.
    הערה: אם תרצה, ניתן להדפיס תחילה פריט פרוטיפ באמצעות מדפסת תלת-ממד של מידול תצהיר מותך (FDM) כדי לחסוך משאבים וכסף15. לאחר מכן ניתן להעריך פרוטיפ זה להתאמה מדויקת לציוד הזמין, ולאחר מכן ניתן לשנות את העיצוב, במידת הצורך. לאחר מכן ניתן להדפיס את ההתקן הסופי באמצעות תהליך מדויק יותר (לדוגמה, Stereolithography) לדיוק טוב יותר. ניתן גם להדפיס את ההתקן הסופי בגימור שקוף לשימוש מיטבי מתחת למיקרוסקופ.

3. ניסויים של MMAA

  1. עיצוב והדפסה של מסכות צילום של התקן מיקרופלואידי עם סמני יישור
    1. השתמש ביישום עיצוב מחשב כדי לעצב מסכות צילום עבור ההתקן המיקרופלואידי הדו-שכבתי הרצוי.
    2. כלול מבנים נוספים בצד של מבני ערוץ ההתקן המיקרופלואידיים שישמשו כסמני יישור (קרוב יותר לקצה תבנית הצילום/תבנית הראשית) כפי שמוצג באיור 5A,B. ודא שיש סמן יישור אחד בכל צד של ההתקן המיקרופלואידי (בסך הכל ארבעה לפחות). בנוסף, ודא מסכת הצילום מכילה קצה ישר שיכול ליישר בצורה מושלמת עם הקצה הישר של רקיק הסיליקון.
      הערה: המורכבות הגבוהה יותר של מבנה סמן היישור תאפשר דיוק יישור גדול יותר של השכבות הנוספות. לפחות, מבנה צולב פשוט עם מדידות של 1 מ"מ x 1 מ"מ יש להשתמש(איור 6A). דוגמה לסמני היישור ניתן לראות בפינות ובקצה האמצעי התחתון של איור 5A,B, המתארים את מסכות הצילום בשכבה הראשונה והשנייה המשמשות ליצירת תבנית אב דו-שכבתית.
    3. הדפס את מסכות הצילום באמצעות ספק מסחרי או באמצעות מתקנים נגישים אחרים
  2. יצירת תבנית אמן bilayer באמצעות MMAA (פוטוליטוגרפיה)
    1. באמצעות טכניקות פוטוליטוגרפיה סטנדרטיות והוראות יצרן הפוטורסיסט, צרו את השכבה הראשונה של תבנית האב באמצעות מסכת הצילום הראשונה של השכבה16. השתמש בוופל סיליקון בגודל "4 עם הפוטורסיסט המתאים (כלומר, SU-8) כדי ליצור את עובי השכבה הרצוי. ודאו שעובי השכבה הראשונה גדול מהשכבות הבאות לזיהוי קל של סמני היישור.
    2. השתמש בעט סימון בצבע בהיר (למשל זהב) כדי לצבוע את סמני היישור של השכבה הראשונה בכל ארבעת הצדדים.
    3. באמצעות ההוראות של יצרן פוטורסיסט, ליזום את השכבה השנייה של עובש מאסטר על ידי ספין ציפוי photoresist על רקיק וביצוע אפייהרכה 16. הכנס את הוופל המצולף למחזיק הופל של MMAA (איור 3B) ותקן את הוופל המצופה ל- MMAA באמצעות סרט הדבקה.
    4. חברו את מחזיק הופל למיקרוסקופ הזקוף הזמין באמצעות מחבר המיקרוסקופ המגנטי(איור 4A). הזז את המיקום של MMAA באמצעות ידיות ה- x ו- y של שלב המיקרוסקופ עד שאחד מסומני היישור הצבעוניים על הוופל מוצג דרך עדשת המיקרוסקופ.
    5. הכניסו את מסכת הצילום בשכבה השנייה למחזיק הוופל, מעל הוופל המצולם(איור 3C). ודא שניתן לראות חלקית את סמני היישור הצבעוניים של השכבה הראשונה דרך סמני היישור במסכה.
    6. חבר את מסכת הצילום להרמת מספריים (הידועה גם כשקע תמיכה) דרך אחת התחיכים הצדדיים(איור 4B)עם סרט הדבקה. השתמשו בהרמת המספריים כדי להתאים את מיקום ה-z-כיוון של מסכת הצילום עד שהיא מונחת ממש מעל הוופל המצולם(איור 3C).
      הערה: הרמת המספריים מאפשרת התאמה עדינה של מיקום z של מסכת הצילום, שכן ניתן להשתמש במעלית המספריים כדי להזיז את מיקום מסכת הצילום המצורפת לכיוון z.
    7. תוך שמירה על מסכת הצילום דוממת, הסתכל דרך עדשת המיקרוסקופ וזיהה את סמני היישור הצבעוניים של השכבה הראשונה מתחת לסמני היישור של מסכת הצילום. השתמש במידיות ה- x וה- y של שלב המיקרוסקופ כדי להזיז את המיקום של ה- MMAA (איור 4D). התאם את המיקום של MMAA עד שסמן היישור על מסכת הצילום יונח על גבי סמן היישור הצבעוני בשכבה הראשונה (איור 6A,B) על-ידי התבוננות במיקום סמני היישור דרך עדשת המיקרוסקופ.
    8. יש למרוח בזהירות כוח קל על מסכת הצילום ולהשתמש בקלטת כדי לאבטח את מסכת הצילום במקום על גבי הוופל המצופה. נתק את מסכת הצילום ממעלית המספריים. ודא שכל ארבעת סמני היישור במסכת הצילום תואמים את ארבעת סמני היישור בשכבה הראשונה.
    9. לאחר היישור מושגת, בזהירות לנתק את מחזיק רקיק משלב המיקרוסקופ. הכנס את צלחת הזכוכית העליונה מעל הוופל והמסכה כדי להקטין את הפער בין שתי החלקים(איור 1). מקם את כל מחזיק הוופל במערכת החשיפה הזמינה לאור UV כפי שמוצג באיור 4E. חשוף את השכבה השנייה עבור הזמן המתאים ועוצמת האור כמתואר בהוראות היצרן photoresist16.
    10. הסר את מחזיק הוופל ממערכת החשיפה לאור UV. מוציאים את הוופל המצולף ממחזיק הוופל ומנתקים את מסכת הצילום מהופל. להשלים את העיבוד של השכבה השנייה (למשל, לאחר אפייה, פיתוח, לשטוף ולייבש) לפי ההוראות של יצרן photoresist16.
      הערה: הספין-ציפוי המדויק, האפייה הרכה, החשיפה, האפייה והתנאים המתפתחים (זמן, טמפרטורה) ישתנו בהתאם לפוטורסיסט המשמש ולעובי השכבה הרצוי. התנאים בפועל והליך פוטוליתוגרפיה מדויק צריך להתבסס על ההוראות של יצרן photoresist.
  3. הכנת מכשיר מיקרופלואידי באמצעות תבנית המאסטר (ליטוגרפיה רכה)
    1. לאחזר את התבנית הראשית ולאבטח אותו באמצע צלחת פטרי פלסטיק 150 מ"מ x 15 מ"מ עם סרט הדבקה.
    2. הכן ~15-20 גרם של PDMS בהתבסס על הוראות היצרן. מניחים את ה- PDMS בתא ואקום או מניחים לו לנוח עד ללא בועות. יוצקים את ה-PDMS לצלחת הפטרי המכילה את התבנית הראשית.
    3. תן צלחת פטרי עם עובש מאסטר לנוח על השיש עד PDMS הוא ללא כל בועות. מניחים את צלחת הפטרי בתנור ב 65 °C (65 °F) עד PDMS נרפא לחלוטין (לפחות 3 שעות).
    4. חותכים את PDMS כדי לחשוף את מבני המיקרו-ערוצים. חותכים את ה- PDMS סביב מבני המיקרו-ערוצים לשבבים נפרדים ויוצרים את חורי הכניסה והשקע עבור ההתקן המיקרופלואידי. השתמשו בסרט כדי להסיר בעדינות חלקיקים קטנים שעלולים לשכב על משטח ה-PDMS.
    5. השלם את ייצור השבבים על ידי מליטה של שבב PDMS ל- PDMS או שקופית מיקרוסקופ על ידי טיפול בפלזמה בשבב PDMS והמצע הנוסף.
  4. קביעת שגיאת היישור
    1. אחזרו את תבנית הבסיס והשתמשו במיקרוסקופ הזקוף כדי לקבוע את מרחק הפער (שגיאת יישור) בין השכבה הראשונה לשכבה השנייה. עשו זאת פשוט על ידי מדידת המרחק שבו השכבה השנייה מוזזת ומזוהה לא נכונה מהשכבה הראשונה במבני המיקרו-אנל (ראו איור 5D לדוגמה של מרחק רווח מדוד).
    2. השתמש במיקרוסקופ הזקוף כדי לקבוע אם שבב PDMS מכיל קירות ערוץ ישרים עם קצוות התקן ברורים. בנוסף, בדוק את שבב PDMS לאיתור פגמים אפשריים שעלולים לעכב את פונקציונליות ההתקן.
      הערה: ייתכן שיהיה צורך לחזור על ייצור תבנית האב (מקטעים 3.2 ו- 3.3) כדי להשיג שגיאת יישור נמוכה יותר. תרגול חוזר באמצעות MMAA מוצג כדי לשפר את היכולת של המשתמש ליצור תבנית אב מיושרת היטב. בנוסף, ניתן להשיג תמונות על-ידי סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM) (איור 7) כדי לאשר את שגיאת היישור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

באמצעות אופטימיזציה ושימוש של MMAA (איור 1), תבניותמאסטר רב שכבתיות עם שגיאת יישור מינימלית היו מפוברקות. ה-MMAA הסופי מפוברק באמצעות תהליך ייצור חוטים מותך (FFF) 3D -printing (איור 2). תהליך FFF מעניק דיוק מוגבר עבור ממדי ההתקן הרצויים. ה-MMAA מורכב משני חלקים עיקריים(איור 3):החלק הבסיסי והמהדק המותאם אישית. חלק הבסיס מורכב מיחידת החשיפה לקרינת UV, המשמשת כמחזיק רקיק. יחידת החשיפה לקרינת UV מאפשרת יישור נכון של מסכת הצילום וופל הסיליקון המצולם. החלק השני הוא מחבר מותאם אישית שמתקן את מחזיק הוופל לפלטפורמה של המיקרוסקופ עם מגנטים. כל ההתקנה המשמשת לסיוע ביישור השכבות העליונות והתחתונות של תבנית הבסיס הדו-שכבתית מתוארת באיור 4. מערכת זו והפרוטוקול המתואר שימשו ליישור הסמנים במסכת הצילום עם הסמנים בשכבה הראשונית של תבנית הבסיס (איור 6). תבנית הבסיס SU-8 הדו-שכבתית למכשיר מיקרופלואידי עם תבנית הרינגבון הייתה אז מפוברקת והוכח שיש לה מרחק פער של <5 מיקרומטר בין שתי השכבות(איור 5).

תבנית האב הדו-שכבתית (איור 7A) שימשה אז לייצור שבבי PDMS שניתן לראות באיור 7D. תמונות ה-SEM שנראו באיור 7B,C מראות שההתקן המיקרו-פלוידי עם תבנית עצם הרינג-בון מכיל קצוות ברורים, קירות ישרים ושכבות מיושרות היטב, החיוניות לפונקציונליות תקינה של ההתקן. בנוסף, תבנית מאסטר בת ארבע שכבות עם תכונות מעגליות פשוטות (איור 8A) נוצרה באמצעות MMAA כדי להציג יישור מוצלח של תבנית מאסטר רב שכבתית. נתוני פרופילומטר(איור 8B)מאשרים את ארבע השכבות הייחודיות של תבנית המאסטר. מדידות שנלקחו משגיאת היישור שהתקבלה עבור תכונות מרובות של ארבע שכבות של גיאומטריה שונה מאשרות ששגיאת היישור אינה עולה על 5% מהמרחק המעוצב בין השכבות. מהתמונות של המכשיר הסופי, ברור כי טעות אנוש במהלך קיבוע המסכה על MMAA לפני החשיפה UV של השכבה השנייה הגדיל את מרחק הפער בין שתי שכבות המכשיר וגרם אי התאמה. עם זאת, ככל שהמשתמש הופך מכיר יותר את ההליך, המכשיר הסופי יכול להיות מיוצר עם שגיאת יישור וכתוצאה מכך של <10 מיקרומטר, כפי שאושר על ידי התוצאות המתוארות.

Figure 1
איור 1: עיצוב MMAA להדפסה בתלת-ממד למיקרו-פייבר רב שכבתי. האיור מתאר את שני החלקים של MMAA: יחידת החשיפה לקרינת UV ומהדק המיקרוסקופ המותאם אישית. יחידת החשיפה לקרינת UV בתים, בסדר יורד, את הצלחת העליונה מזכוכית, המחזיקה את מסכת הצילום כנגד הוופל; מסכת הצילום; והוופל מצופה הפוטורסיסט. יחידת החשיפה לקרינת UV מחוברת מגנטית למחבר המיקרוסקופ המותאם אישית, המחובר לשלב המיקרוסקופ, ולאחר מכן מאפשרת יישור נכון של מסכת הצילום והוופל. קיצורים: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ; UV = אולטרה סגול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: התאמה אישית והדפסה תלת-ממדית של MMAA ועיבוד לאחר עיבוד עבור התקן שנרפא במלואו. (A)תמונה של המגש של מערכת פליטת האור UV הזמינה המציגה את המדידות הדרושות להתאמה אישית של MMAA. על המשתמש למדוד את הקוטר (d) של השפה המעגלית הפנימית, את הגובה הפנימי (h), את הרוחב הכולל (w) ואת האורך (l) של המגש. (B)לאחר התאמה אישית, MMAA צריך אז לשבת שטוח בתוך המגש כפי שמוצג כאן. (C)איור של תהליך ההדפסה בתלת-ממד FFF. תהליך FFF מייצר מבנים על-ידי שכבות חוט מודפס בתלת-ממד. חוט הפקדה בשכבות דקות, אחד על גבי הבא, עד היצירה הסופית בהדפסה 3D מיוצר. (D)ריפוי MMAA הסופי בהדפסה תלת-ממדית בתא ריפוי UV כחלק מתהליך ההדפסה. קיצורים: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ; UV = אולטרה סגול; FFF = ייצור חוטים מותך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: חתיכות מודפסות בתלת-ממד של MMAA. (A)שתי חתיכות חוברו על ידי מגנטים (המצוינים במלבן מקווקו אדום). (B)MMAA המכיל רקיק סיליקון מצופה בשכבה דקה של פוטוארסיסט (SU-8). (C)MMAA עם מסכת צילום מעל רקיק הסיליקון המצולם כהכנה לתהליך היישור. קיצור: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: הליך לשימוש ב- MMAA מודפס בתלת-ממד ליישור מסכת הצילום. (A)לאחר שה- MMAA נטען עם רקיק הסיליקון מצופה הפוטורסיסט, MMAA ממוקם על הבמה של מערכת מיקרוסקופ זקופה ומתקן לבמה באמצעות מחבר המיקרוסקופ המגנטי כפי שמוצג בתמונה. (B)מסכת הצילום מוכנסת לאחר מכן ל- MMAA ומחוברת לפלטפורמת התאמת ה- z, הידועה גם כהרמת מספריים, דרך אחד הצדדים של ה- MMAA כפי שמוצג בתמונה. (C)גובה פלטפורמת הרמת המספריים מותאם לאחר מכן עד מסכת הצילום שוכבת ממש מעל רקיק הסיליקון המצולם כפי שמוצג בתמונה. מנקודה זו ואילך, מסכת הצילום אינה מועברת עד להשלמת היישור. (D)כדי להשיג יישור מושלם, המיקום של MMAA ולכן, של רקיק הסיליקון, על שלב המיקרוסקופ מותאם לאחר מכן בכיווני x ו- y באמצעות ידיות המיקרוסקופ כפי שמוצג בתמונה. מיקומי x ו- y של רקיק הסיליקון מותאמים דק, בעוד המשתמש מתבונן דרך עדשת המיקרוסקופ עד סמני היישור על רקיק הסיליקון ואת מסכת הצילום הם על גבי. ברגע שזה מושג, מסכת הצילום יכולה להיות מאובטחת לופל. (E)לאחר יישור מושגת, MMAA מנותק בזהירות משלב המיקרוסקופ וממוקם במגש של מערכת החשיפה לאור UV. המגש יכול להיות סגור, כך רקיק יכול להיות חשוף הקרנת UV כדי לרפא את photoresist. קיצור: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: מבנה ערוץ דו-שכבתי שנוצר באמצעות MMAA. תבנית האב הדו-שכבתית מיועדת לייצור התקנים מיקרופלואידיים של הרינגבון בארבעה ערוצים מקבילים. (A)תמונה של עיצוב מסכת הצילום בשכבה הראשונה, הכוללת את קווי המתאר של הערוצים ומייצרת את הרצפה החלולה של ההתקן המיקרופלואידי. (B)תמונה של עיצוב מסכת הצילום בשכבה השנייה, המשלבת את תבנית עצם הרינגבון בתוך הערוצים המרפדים את גג ההתקן המיקרופלואידי. (C)מבנה המפרצון של תבנית האב הדו שכבתית המצוינת על ידי מלבנים מקווקווים אדומים ב -A) ו -B). התמונה מציגה מרחק פער מינימלי בין שתי השכבות. (D)קטע בתבנית הבסיס הדו-שכבתית המציג עיקול בערוץ המצוין על ידי מלבנים מקווקו ירוקים ב- (A) ו -B). מרחק הפער בין שני החצים הוא 5 מיקרומטר. סרגלי קנה מידה = 100 מיקרומטר. קיצור: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: תוצאות המיקרו-פייבר עם ה- MMAA. (A) ו -( B) מציגות את יישור הסמנים על מסכת הצילום. סרגלי קנה מידה = 200 מיקרומטר. (C) ו -( D) הם התמונות המתאימות של הסמנים על הוופל לאחר החשיפה. סרגלי קנה מידה = 100 מיקרומטר. קיצור: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: תבנית האב שהוכנה באמצעות MMAA והתקן ה- PDMS שנוצר עשוי מעובש האב. (A)תבנית אב דו-שכבתית של התקן מיקרופלואידי של הרינגבון שהוכנה באמצעות MMAA כדי להשיג יישור של שכבות. (B) ו - (C) הן תמונות SEM של התקן הרינגבון בקשקשים שונים כאשר החצים האדומים מצביעים על השכבה התחתונה. (D)התקן מיקרופלואידי PDMS עם תבנית הרינגבון המיוצרת באמצעות תבנית אב דו שכבתית ב-( A). קיצורים: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ; PDMS = פולי (דימתילסילוקסן); SEM = סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: נתוני תמונה ופרופילומטר של תבנית אב בת ארבע שכבות שנוצרה באמצעות MMAA. (A)תמונה של תבנית אב בת ארבע שכבות שנוצרה באמצעות MMAA המציגה יישור מוצלח של השכבות. תכונות מעגליות פשוטות בגודל יורד נבחרו כדי להדגים את יכולת היישור של MMAA. סרגל קנה מידה = 1,250 מיקרומטר. (B)נתוני פרופילומטר של אותה תבנית אב עגולה בעלת ארבע שכבות המאשרת את נוכחותן של ארבע השכבות המחודדיות. קיצורים: MMAA = מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

חומר גמיש. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול הנ"ל מתאר את ההליך להדפסת 3D MMAA ושימוש במערכת ליצירת תבנית אב מדויקת, רב שכבתית, מיקרופלואידית. למרות שההתקן קל לשימוש, ישנם שלבים קריטיים בפרוטוקול הדורשים תרגול וטיפול כדי להבטיח יישור נכון של שכבות תבנית הבסיס. הצעד הקריטי הראשון הוא העיצוב של MMAA. זה חיוני בעת תכנון MMAA כדי לקבוע את המדידות המדויקות עבור המכשיר שיאפשר התאמה נכונה בתוך מערכת חשיפה לאור UV. אי התאמה של המכשיר עלולה לגרום לחשיפה לא אחידה לאור UV, אשר יכול ליצור עיוותים של תכונות עובש מאסטר. השלב הקריטי השני הוא לנקוט זהירות בעת יישור השכבות הראשונה והשנייה של תבנית הבסיס בעת שימוש ב- MMAA. זה הכרחי לאחר יישור מסכת הצילום בשכבה השנייה עם סמני יישור השכבה הראשונה שהמשתמש מקפיד מאוד בעת תיקון מסכת הצילום לופל ו- MMAA. התכונות בגודל מיקרון אומרות שכל אי-התאמה קטנה עקב התנועה של מסכת התמונות במהלך הקיבעון יכולה ליצור שגיאות יישור שיכולות להפוך את התקן PDMS הסופי לבלתי שמיש. לכן, שלב זה דורש דיוק שניתן לפתח עם תרגול באמצעות MMAA. השלב הקריטי האחרון הוא להבטיח שאין פער בין מסכת הצילום לבין הוופל המצולם כדי להבטיח אפילו חשיפה לאור UV. טכניקה זו בשימוש MMAA כדי ליצור תבניות מאסטר רב שכבתיות מוגבלת על ידי תשומת הלב לפרטים וטיפול של המשתמש בעת ביצוע הפרוטוקול נתון כמו השלבים הקריטיים לעיל יש לעקוב כדי להבטיח שכבות מיושרות היטב.

התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים בדרך כלל קשה לייצר עם שגיאה קטנה אלא אם כן ציוד יישור מסורתי זמין. ציוד זה יקר ובשל רגישותו, דורש הכשרה מיוחדת ובדרך כלל סביבת חדר נקי שלא תמיד זמינה למעבדות קטנות יותר. בנוסף, קשתות יישור מסכה שנבנו בהתאמה אישית שפורסמו בעבר דורשות בדרך כלל רכישה והרכבה של חלקים רבים ושונים, אשר עדיין יכול להפוך את הפלטפורמות יקרות לייצור וקשה להשתמש12,13,14. המשמעות של MMAA היא כי היא חלופה קלה למפוברק וחסכונית לציוד סטנדרטי המשמש לייצור מכשיר מיקרופלואידי רב שכבתי. בנוסף, MMAA אינו דורש הכשרה מיוחדת לשימוש בו, שכן היישום שלה הוא פשוט למדי ומשתמש בציוד מעבדה סטנדרטי כבר נוכח במעבדות המייצרות באופן קבוע ומשתמשות במכשירים מיקרופלואידיים. הדבר מאפשר למעבדות קטנות ומוגבלות במשאבים לייצר התקנים מיקרופלואידיים רב-שכבתיים עם פונקציונליות משופרת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים רוצים להכיר את המרכז לחוויות תואר ראשון טרנספורמטיבי מאוניברסיטת טקסס טק למתן מימון לפרויקט זה. המחברים גם רוצים להכיר בתמיכת המחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת טקסס טק.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
  2. Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
  8. Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kang, S. -W. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. Wang, M. , IntechOpen. 403-426 (2010).
  12. 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).
  13. Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).

Tags

הנדסה גיליון 167 הדפסה בתלת-ממד פוטוליתוגרפיה מיקרופלואידיקה הנדסה כימית התקן מיקרופלואידי רב שכבתי ליטוגרפיה רכה
תכנון ופיתוח מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ תלת מימדי לייצור התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Garcia, C. R., Ding, Z., Garza, H.… More

Garcia, C. R., Ding, Z., Garza, H. C., Li, W. Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (167), e61877, doi:10.3791/61877 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter