Summary
Questo progetto consente ai piccoli laboratori di sviluppare una piattaforma di facile utilizzo per la fabbricazione di precisi dispositivi microfluidici multistrato. La piattaforma è costituita da un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente utilizzando il quale sono stati realizzati dispositivi microfluidici multistrato con errori di allineamento di < 10 μm.
Abstract
Questo progetto mira a sviluppare una piattaforma facile da usare ed economica per la fabbricazione di dispositivi microfluidici precisi e multistrato, che in genere possono essere raggiunti solo utilizzando attrezzature costose in una camera bianca. La parte fondamentale della piattaforma è un adattatore di allineamento della maschera per microscopio (MMAA) stampato tridimensionalmente (3D) compatibile con i normali microscopi ottici e sistemi di esposizione alla luce ultravioletta (UV). Il processo complessivo di creazione del dispositivo è stato notevolmente semplificato a causa del lavoro svolto per ottimizzare il design del dispositivo. Il processo prevede la ricerca delle dimensioni corrette per le apparecchiature disponibili in laboratorio e la stampa 3D dell'MMAA con le specifiche ottimizzate. I risultati sperimentali mostrano che l'MMAA ottimizzato progettato e prodotto dalla stampa 3D funziona bene con un microscopio comune e un sistema di esposizione alla luce. Utilizzando uno stampo master preparato dall'MMAA stampato in 3D, i dispositivi microfluidici risultanti con strutture multistrato contengono errori di allineamento di < 10 μm, che è sufficiente per i comuni microchip. Sebbene l'errore umano attraverso il trasporto del dispositivo al sistema di esposizione alla luce UV possa causare errori di fabbricazione più grandi, gli errori minimi raggiunti in questo studio sono raggiungibili con pratica e cura. Inoltre, l'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando modifiche al file di modellazione nel sistema di stampa 3D. Questo progetto fornisce ai laboratori più piccoli un utile strumento di ricerca in quanto richiede solo l'uso di attrezzature che sono tipicamente già disponibili per i laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Il seguente protocollo dettagliato delinea il processo di progettazione e stampa 3D per l'MMAA. Inoltre, i passaggi per l'acquisto di uno stampo master multistrato utilizzando l'MMAA e la produzione di chip microfluidici poli(dimetilsilossano) (PDMS) sono descritti anche nel presente documento.
Introduction
Un campo ben sviluppato e promettente nella ricerca ingegneristica è la microfabbricazione a causa della vasta distesa di applicazioni che impiegano piattaforme microfluidiche. La microfabbricazione è un processo in cui le strutture sono prodotte con caratteristiche di dimensioni μm o più piccole utilizzando diversi composti chimici. Poiché la ricerca microfluidica si è sviluppata negli ultimi 30 anni, la litografia morbida è diventata la tecnica di microfabbricazione più popolare con cui produrre microchip a base di poli(dimetilsilossano) (PDMS) o sostanze simili. Questi microchip sono stati ampiamente utilizzati per la miniaturizzazione delle comuni pratiche di laboratorio1,2,3,4 e sono diventati potenti strumenti di ricerca per gli ingegneri per imitare i processi direazione 5,6,7,studiare i meccanismi di reazione e imitare gli organi presenti nel corpo umano in vitro (ad esempio, organ-on-a-chip)8,9,10. Tuttavia, con l'aumentare della complessità dell'applicazione, è tipico che un design del dispositivo microfluidico più complesso consenta una migliore replica del sistema reale che si intende imitare.
La procedura di base della litografia morbida prevede il rivestimento di un substrato con una sostanza fotoresistente e il posizionamento di una fotomaschera sul substrato rivestito prima di sottoporre il substrato alla luce UV11. La fotomaschera ha regioni trasparenti che imitano il modello desiderato dei canali del dispositivo microfluidico. Quando si sottopone il substrato rivestito alla luce UV, le regioni trasparenti consentono alla luce UV di penetrare attraverso la fotomaschera, causando la reticolazione del fotoresiste. Dopo la fase di esposizione, il fotoresist non reticolato viene lavato via usando uno sviluppatore, lasciando strutture solide con il modello previsto. Man mano che la complessità dei dispositivi microfluidici diventa maggiore, richiedono una costruzione a più strati con dimensioni estremamente precise. Il processo di microfabbricazione multistrato è molto più difficile rispetto alla microfabbricazione a strato singolo.
La microfabbricazione multistrato richiede un allineamento preciso delle caratteristiche del primo strato con i disegni sulla seconda maschera. Normalmente, questo processo viene eseguito utilizzando un allineatore di maschere commerciale, che è costoso e richiede una formazione per far funzionare il macchinario. Pertanto, il processo di microfabbricazione multistrato è in genere irraggiungibile per i laboratori più piccoli che non hanno i fondi o il tempo per tali sforzi. Mentre sono stati sviluppati molti altri allineatori di maschere costruiti su misura, questi sistemi spesso richiedono l'acquisto e l'assemblaggio di molte parti diverse e possono ancora essere piuttosto complessi12,13,14. Questo non è solo costoso per i laboratori più piccoli, ma richiede anche tempo e formazione per costruire, comprendere e utilizzare il sistema. L'allineatore di maschere dettagliato in questo documento ha cercato di alleviare questi problemi in quanto non è necessario l'acquisto di attrezzature aggiuntive, richiedendo solo attrezzature che sono tipicamente già presenti nei laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Inoltre, l'allineatore di maschere è fabbricato dalla stampa 3D, che con il recente progresso della tecnologia di stampa 3D, è diventata prontamente disponibile per la maggior parte dei laboratori e delle università a un costo accessibile.
Il protocollo dettagliato in questo documento mira a creare un allineatore di maschere alternativo economico e facile da utilizzare. L'allineatore di maschere qui descritto può rendere fattibile la microfabbricazione multistrato per i laboratori di ricerca senza strutture di fabbricazione convenzionali. Utilizzando l'adattatore di allineamento della maschera del microscopio (MMAA), è possibile ottenere microchip funzionali con caratteristiche complesse utilizzando una normale sorgente di luce UV, un microscopio ottico e attrezzature di laboratorio comuni. I risultati mostrano che l'MMAA funziona bene con un sistema di esempio che utilizza un microscopio verticale e una scatola di esposizione alla luce UV. L'MMAA prodotto utilizzando il processo di stampa 3D è stato utilizzato per acquisire uno stampo master a doppio strato di un dispositivo microfluidico a spina di pesce con errori di allineamento minimi. Utilizzando lo stampo master fabbricato con un MMAA stampato in 3D, sono stati preparati dispositivi microfluidici con strutture multistrato contenenti errori di allineamento di < 10 μm. L'errore di allineamento di <10 μm è abbastanza minimo da non ostacolare l'applicazione del dispositivo microfluidico.
Inoltre, è stato confermato il successo dell'allineamento di uno stampo master a quattro strati prodotto utilizzando l'MMAA e gli errori di allineamento sono stati determinati < 10 μm. La funzionalità del dispositivo microfluidico e gli errori di allineamento minimi convalidano l'applicazione di successo dell'MMAA nella creazione di dispositivi microfluidici multistrato. L'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando piccole modifiche al file nella stampante 3D. Il seguente protocollo delinea i passaggi necessari per mettere a punto l'MMAA per adattare le apparecchiature disponibili in ciascun laboratorio e stampare in 3D l'MMAA con le specifiche richieste. Inoltre, il protocollo descrive in dettaglio come sviluppare uno stampo master multistrato utilizzando il sistema e successivamente produrre dispositivi microfluidici PDMS utilizzando lo stampo master. La generazione dello stampo master e dei chip microfluidici consente quindi all'utente di testare l'efficacia del sistema.
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Protocol
1. Progettare l'MMAA
- Ottenere che le dimensioni del vassoio del sistema di emissione di luce UV disponibile siano il limite superiore per le dimensioni del supporto del wafer (o dell'unità di esposizione ai raggi UV) mostrato nella Figura 1. Come mostrato nella Figura 2A,misurare il diametro (d) del cerchio circolare interno, l'altezza interna (h) del vassoio del sistema di emissione di luce UV, la larghezza totale (w) e la lunghezza (l) del vassoio.
NOTA: ad esempio, il sistema di esposizione alla luce UV disponibile aveva dimensioni interne del vassoio di 5 pollici (") x 5 "x 0,25" con un ritaglio circolare da 4". Le dimensioni dell'MMAA sono state quindi progettate per non essere superiori alle dimensioni interne del vassoio per adattarsi correttamente e sedersi piatte all'interno del vassoio del sistema, come mostrato nella Figura 2B. Vedere la Figura 3 per i pezzi stampati in 3D dell'MMAA: wafer di silicio rivestito con fotoresistente e un dispositivo di fissaggio per fissare la configurazione al microscopio. - Misurare la lunghezza tra le viti sullo stadio del microscopio verticale disponibile che tiene in posizione il supporto del vetrino. Inoltre, misurare la larghezza delle viti. Applicare queste dimensioni per personalizzare il supporto magnetico (Figura 1) per adattarlo al microscopio disponibile per consentire una facile e precisa fissazione dell'MMAA al microscopio (Figura 4A).
- Utilizzando un'applicazione di progettazione computer computerale disponibile, personalizzare il supporto del wafer e il dispositivo di fissaggio del microscopio magnetico per adattarli alle dimensioni misurate. Progettare l'altezza, la larghezza e la lunghezza del supporto del wafer in modo che non siano superiori all'altezza (h), alla larghezza (w) e alla lunghezza (l) del vassoio del sistema di emissione di luce UV. Inoltre, includere il ritaglio circolare nella parte inferiore del supporto del wafer con lo stesso diametro (d) del vassoio del sistema di emissione di luce UV. Generare file STL o CAD per i due pezzi dell'MMAA da utilizzare per la stampa 3D del dispositivo (vedi Materiale supplementare).
2.3D Stampa dell'MMAA
- Carica i file STL o CAD generati sul software di stampa 3D disponibile. Stampa 3D i due pezzi dell'MMAA seguendo la procedura appropriata per il processo 3D e la stampante utilizzata. Completare i pezzi seguendo tutte le fasi post-stampa richieste (ad esempio, rimozione del materiale di supporto, rimozione della resina non polimerizzata, ulteriori fasi di lavaggio o polimerizzazione). In alternativa, utilizzare una struttura di stampa 3D disponibile per stampare e completare altrove i pezzi progettati.
- Assicurarsi che il supporto del wafer si adatti bene e si trovi piatto all'interno del vassoio del sistema di esposizione alla luce UV disponibile (Figura 2B). Inoltre, assicurarsi che il dispositivo di fissaggio del microscopio sia collegato allo stadio del microscopio e possa essere spostato facilmente utilizzando le manopole che controllano le posizioni x e y dello stadio del microscopio (Figura 4A).
- Una volta che i pezzi sono stati finalizzati, inserire e fissare i magneti nel supporto del wafer e nel dispositivo di fissaggio del microscopio (Figura 3A), utilizzando super colla o qualsiasi altra sostanza fissante. Lasciare asciugare la colla prima di testare il sistema.
NOTA: Se lo si desidera, un pezzo protype può prima essere stampato utilizzando una stampante 3D Fused Deposition Modeling (FDM) per risparmiare risorse e denaro15. Questo protipo può quindi essere valutato per l'adattamento accurato alle apparecchiature disponibili e il design può quindi essere modificato, se necessario. Il dispositivo finale può quindi essere stampato utilizzando un processo più accurato (ad esempio, stereolitografia) per una migliore precisione. Il dispositivo finale può anche essere stampato con una finitura traslucida per un uso ottimale al microscopio.
3. Prove sperimentali delle MMAA
- Progettazione e stampa delle fotomaschere dei dispositivi microfluidici con marcatori di allineamento
- Utilizzare un'applicazione di progettazione al computer per progettare fotomaschere per il dispositivo microfluidico a doppio strato desiderato.
- Includere strutture aggiuntive sul lato delle strutture di canale del dispositivo microfluidico che fungeranno da marcatori di allineamento (più vicini al bordo della fotomaschera / stampo master) come mostrato nella Figura 5A,B. Assicurarsi che ci sia un marcatore di allineamento su ciascun lato del dispositivo microfluidico (per un totale di almeno quattro). Inoltre, assicurarsi che la fotomaschera contenga un bordo dritto che possa allinearsi perfettamente con il bordo dritto del wafer di silicio.
NOTA: la maggiore complessità della struttura del marcatore di allineamento consentirà una maggiore precisione di allineamento dei livelli aggiuntivi. Per lo meno, dovrebbe essere utilizzata una semplice struttura a croce con misure di 1 mm x 1 mm (Figura 6A). Un esempio dei marcatori di allineamento può essere visto negli angoli e nel bordo centrale inferiore della Figura 5A,B, che raffigurano le fotomaschere del primo e del secondo strato utilizzate per generare uno stampo master a doppio strato. - Stampa le fotomaschere tramite un fornitore commerciale o attraverso altre strutture accessibili
- Creazione dello stampo master a doppio strato utilizzando l'MMAA (fotolitografia)
- Utilizzando le tecniche di fotolitografia standard e le istruzioni del produttore del fotoresist, creare il primo strato dello stampo master utilizzando la fotomaschera del primo strato16. Utilizzare un wafer di silicio da 4" con il fotoresist appropriato (ad es. SU-8) per creare lo spessore dello strato desiderato. Assicurarsi che lo spessore del primo strato sia maggiore degli strati successivi per una facile identificazione dei marcatori di allineamento.
- Usa un pennarello di colore chiaro (ad esempio, oro) per colorare i marcatori di allineamento del primo strato su tutti e quattro i lati.
- Utilizzando le istruzioni del produttore del fotoresist, avviare il secondo strato dello stampo principale rivestendo il fotoresist sul wafer ed eseguendo la cottura morbida16. Inserire il wafer rivestito nel supporto wafer dell'MMAA (Figura 3B) e fissare il wafer rivestito all'MMAA usando del nastro adesivo.
- Collegare il supporto del wafer al microscopio verticale disponibile utilizzando il dispositivo di fissaggio del microscopio magnetico (Figura 4A). Spostare la posizione dell'MMAA utilizzando le manopole di direzione x e y dello stadio del microscopio fino a quando uno dei marcatori di allineamento colorati sul wafer è in vista attraverso la lente del microscopio.
- Inserire la fotomaschera di secondo strato nel supporto del wafer, sopra il wafer rivestito (Figura 3C). Assicurati che i marcatori di allineamento colorati del primo livello possano essere parzialmente visibili attraverso i marcatori di allineamento sulla fotomaschera.
- Attaccare la fotomaschera a un sollevatore a forbice (noto anche come jack di supporto) attraverso uno dei ritagli laterali (Figura 4B) con del nastro adesivo. Utilizzare il sollevatore a forbice per regolare la posizione della direzione z della fotomaschera fino a quando non si trova proprio sopra il wafer rivestito (Figura 3C).
NOTA: Il sollevatore a forbice consente una regolazione fine della posizione z della fotomaschera, poiché il sollevatore a forbice può essere utilizzato per spostare la posizione della fotomaschera allegata nella direzione z. - Mantenendo ferma la fotomaschera, guarda attraverso la lente del microscopio e identifica i marcatori di allineamento colorati del primo strato sotto i marcatori di allineamento della fotomaschera. Utilizzare le manopole di direzione x e y dello stadio del microscopio per spostare la posizione dell'MMAA (Figura 4D). Regolare la posizione dell'MMAA fino a quando il marcatore di allineamento sulla fotomaschera viene sovrapposto al marcatore di allineamento colorato sul primo strato(Figura 6A,B)osservando la posizione dei marcatori di allineamento attraverso la lente del microscopio.
- Applicare con attenzione una leggera forza sulla fotomaschera e utilizzare del nastro adesivo per fissare la fotomaschera in posizione sopra il wafer rivestito. Staccare la fotomaschera dall'elevatore a forbice. Assicurarsi che tutti e quattro i marcatori di allineamento sulla fotomaschera siano allineati con i quattro marcatori di allineamento sul primo livello.
- Una volta raggiunto l'allineamento, staccare con cura il supporto del wafer dallo stadio del microscopio. Inserire la piastra superiore in vetro sopra il wafer e la fotomaschera per ridurre lo spazio tra i due pezzi (Figura 1). Posizionare l'intero supporto del wafer nel sistema di esposizione alla luce UV disponibile, come mostrato nella Figura 4E. Esporre il secondo strato per il tempo e l'intensità della luce appropriati come descritto nelle istruzioni del produttore del fotoresist16.
- Rimuovere il supporto del wafer dal sistema di esposizione alla luce UV. Rimuovere il wafer rivestito dal supporto del wafer e staccare la fotomaschera dal wafer. Completare la lavorazione del secondo strato (ad esempio, post-cottura, sviluppo, risciacquo e asciugatura) secondo le istruzioni del produttore del fotoresist16.
NOTA: l'esatto rivestimento di centrifuga, la cottura morbida, l'esposizione, la post-cottura e le condizioni di sviluppo (tempo, temperatura) varieranno in base al fotoresist utilizzato e allo spessore dello strato desiderato. Le condizioni effettive e l'esatta procedura di fotolitografia devono essere basate sulle istruzioni del produttore del fotoresist.
- Preparazione di un dispositivo microfluidico utilizzando lo stampo master (litografia morbida)
- Recupera lo stampo principale e fissalo nel mezzo di una capsula di Petri in plastica da 150 mm x 15 mm con del nastro adesivo.
- Preparare ~ 15-20 g di PDMS in base alle istruzioni del produttore. Posizionare il PDMS in una camera a vuoto o lasciarlo riposare fino a quando non è privo di bolle. Versare il PDMS nella capsula di Petri contenente lo stampo principale.
- Lasciare riposare la piastra di Petri con lo stampo principale sul piano di lavoro fino a quando il PDMS non è privo di bolle. Mettere la capsula di Petri in forno a 65 °C fino a quando il PDMS non è completamente indurito (almeno 3 ore).
- Ritaglia il PDMS per rivelare le strutture dei microcanali. Tagliare il PDMS attorno alle strutture dei microcanali in microchip separati e creare i fori di ingresso e di uscita per il dispositivo microfluidico. Utilizzare del nastro adesivo per rimuovere delicatamente eventuali piccole particelle che potrebbero trovarsi sulla superficie pdms.
- Completare la fabbricazione del microchip incollando il chip PDMS al PDMS o un vetrino per microscopio trattando al plasma il chip PDMS e il substrato aggiuntivo.
- Determinazione dell'errore di allineamento
- Recuperate lo stampo master e utilizzate il microscopio verticale per determinare la distanza dello spazio (errore di allineamento) tra il primo strato e il secondo strato. Ciò è sufficiente misurando la distanza di spostamento e disallineamento del secondo strato dal primo strato sulle strutture dei microcanali (vedere la Figura 5D per un esempio di distanza di gap misurata).
- Utilizzare il microscopio verticale per determinare se il chip PDMS contiene pareti del canale diritte con bordi chiari del dispositivo. Inoltre, controllare il chip PDMS per eventuali difetti che potrebbero ostacolare la funzionalità del dispositivo.
NOTA: potrebbe essere necessario ripetere la fabbricazione dello stampo principale (sezioni 3.2 e 3.3) per ottenere un errore di allineamento inferiore. La pratica ripetuta utilizzando l'MMAA viene mostrata per migliorare la capacità dell'utente di creare uno stampo master ben allineato. Inoltre, le immagini possono essere ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figura 7) per confermare l'errore di allineamento.
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Representative Results
Attraverso l'ottimizzazione e l'uso dell'MMAA (Figura 1), sono stati fabbricati stampi master multistrato con un errore di allineamento minimo. L'MMAA finale è stato fabbricato utilizzando il processo di stampa 3D FFF (Fused Filament Fabrication)(Figura 2). Il processo FFF conferisce una maggiore precisione per le dimensioni desiderate del dispositivo. L'MMAA è composto da due pezzi principali (Figura 3): il pezzo base e il dispositivo di fissaggio personalizzato. Il pezzo base è costituito dall'unità di esposizione ai raggi UV, che funge da supporto per wafer. L'unità di esposizione uv consente il corretto allineamento della fotomaschera e del wafer di silicio rivestito. Il secondo pezzo è il dispositivo di fissaggio personalizzato che fissa il supporto del wafer alla piattaforma del microscopio con magneti. L'intera configurazione utilizzata per facilitare l'allineamento dei livelli superiore e inferiore dello stampo master a doppio strato è illustrata nella Figura 4. Questo sistema e il protocollo descritto sono stati utilizzati per l'allineamento dei marcatori sulla fotomaschera con i marcatori sullo strato iniziale dello stampo master (Figura 6). Lo stampo master SU-8 a doppio strato per un dispositivo microfluidico con un motivo a spina di pesce è stato quindi fabbricato e ha dimostrato di avere una distanza di spazio di <5 μm tra i due strati (Figura 5).
Lo stampo master a due strati(Figura 7A)è stato quindi utilizzato per fabbricare microchip PDMS che possono essere visti nella Figura 7D. Le immagini SEM viste nella Figura 7B,C mostrano che il dispositivo microfluidico con il modello a spina di pesce contiene bordi chiari, pareti a canale dritto e strati ben allineati, che sono essenziali per la corretta funzionalità del dispositivo. Inoltre, è stato creato uno stampo master a quattro strati con semplici feature circolari (Figura 8A) utilizzando l'MMAA per mostrare l'allineamento riuscito di uno stampo master multistrato. I dati del profilometro (Figura 8B) confermano i quattro strati distinti dello stampo master. Le misurazioni effettuate dell'errore di allineamento ottenuto per più caratteristiche a quattro strati di geometria diversa confermano che l'errore di allineamento non è superiore al 5% della distanza progettata tra gli strati. Dalle immagini del dispositivo finale, è chiaro che l'errore umano durante la fissazione della maschera sull'MMAA prima dell'esposizione ai raggi UV del secondo strato ha aumentato la distanza tra i due strati del dispositivo e ha causato un disallineamento. Tuttavia, man mano che l'utente diventa più familiare con la procedura, il dispositivo finale può essere prodotto con un conseguente errore di allineamento di < 10 μm, come confermato dai risultati raffigurati.
Figura 1: Progettazione di un MMAA stampabile in 3D per la microfabbricazione multistrato. L'illustrazione raffigura i due pezzi dell'MMAA: l'unità di esposizione ai raggi UV e il dispositivo di fissaggio del microscopio personalizzato. L'unità di esposizione ai raggi UV ospita, in ordine decrescente, la lastra superiore in vetro, che tiene la fotomaschera contro il wafer; la fotomaschera; e il wafer rivestito di fotoresist. L'unità di esposizione UV viene quindi fissata magneticamente al dispositivo di fissaggio del microscopio personalizzato, che è collegato allo stadio del microscopio e quindi consente il corretto allineamento della fotomaschera e del wafer. Abbreviazioni: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio; UV = ultravioletto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Personalizzazione e stampa 3D di un MMAA e post-elaborazione per un dispositivo completamente polimerizzato. (A) Foto del vassoio del sistema di emissione di luce UV disponibile che mostra le misurazioni necessarie necessarie per personalizzare l'MMAA. L'utente deve misurare il diametro (d) del bordo circolare interno, l'altezza interna (h), la larghezza totale (w) e la lunghezza (l) del vassoio. (B) Dopo la personalizzazione, l'MMAA dovrebbe quindi sedersi piatto all'interno del vassoio come mostrato qui. (C) Illustrazione del processo di stampa 3D FFF. Il processo FFF produce strutture stratificando il filamento stampato in 3D. Il filamento viene depositato in strati sottili, uno sopra l'altro, fino a quando non viene prodotto il pezzo finale stampato in 3D. (D)La polimerizzazione dell'MMAA finale stampata in 3D nella camera di polimerizzazione UV come parte del processo di post-stampa. Abbreviazioni: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio; UV = ultravioletto; FFF = fabbricazione di filamenti fusi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Pezzi stampati in 3D di un MMAA. (A) Due pezzi sono stati collegati da magneti (indicati da un rettangolo tratteggiato rosso). (B) MMAA contenente un wafer di silicio rivestito con un sottile strato di fotoresist (SU-8). (C) MMAA con una fotomaschera sopra il wafer di silicio rivestito in preparazione del processo di allineamento. Abbreviazione: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Procedura per utilizzare un MMAA stampato in 3D per l'allineamento della fotomaschera. (A) Dopo che l'MMAA è stato caricato con il wafer di silicio rivestito con fotoresistente, l'MMAA viene quindi posizionato sul palco di un sistema di microscopio verticale e fissato allo stadio utilizzando il dispositivo di fissaggio del microscopio magnetico come mostrato nell'immagine. (B) La fotomaschera viene quindi inserita nell'MMAA e attaccata alla piattaforma di regolazione della direzione z, altrimenti nota come sollevatore a forbice, attraverso uno dei lati dell'MMAA come mostrato nell'immagine. (C) L'altezza della piattaforma elevatrice a forbice viene quindi regolata fino a quando la fotomaschera si trova proprio sopra il wafer di silicio rivestito come mostrato nell'immagine. Da questo punto in poi, la fotomaschera non viene spostata fino al completamento dell'allineamento. (D) Per ottenere un allineamento perfetto, la posizione dell'MMAA e quindi del wafer di silicio sullo stadio del microscopio viene quindi regolata nelle direzioni x e y utilizzando le manopole del microscopio come mostrato nell'immagine. Le posizioni x e y del wafer di silicio sono finemente regolate, mentre l'utente osserva attraverso la lente del microscopio fino a quando i marcatori di allineamento sul wafer di silicio e la fotomaschera sono sovrapposti. Una volta raggiunto questo obiettivo, la fotomaschera può quindi essere fissata al wafer. (E) Dopo aver raggiunto l'allineamento, l'MMAA viene accuratamente staccato dallo stadio del microscopio e collocato nel vassoio del sistema di esposizione alla luce UV. Il vassoio può essere chiuso in modo che il wafer possa essere esposto all'irradiazione UV per polimerizzare il fotoresiste. Abbreviazione: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Struttura del canale a doppio strato creata utilizzando l'MMAA. Lo stampo master a doppio strato è progettato per la produzione di dispositivi microfluidici a spina di pesce con quattro canali paralleli. (A) Immagine del design della fotomaschera di primo strato, che include il contorno per i canali e genera il pavimento cavo del dispositivo microfluidico. (B) Immagine del design della fotomaschera di secondo strato, che incorpora il motivo a spina di pesce all'interno dei canali che rivestono il tetto del dispositivo microfluidico. (C) La struttura di ingresso dello stampo master a doppio strato indicata da rettangoli tratteggiati rossi in (A) e (B). L'immagine mostra una distanza minima tra i due livelli. (D) Una sezione dello stampo master a doppio strato che mostra una piegatura nel canale indicata da rettangoli tratteggiati verdi in (A) e (B). La distanza tra le due frecce è di 5 μm. Barre di scala = 100 μm. Abbreviazione: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: I risultati della microfabbricazione con l'MMAA. (A) e (B) mostrano l'allineamento dei marcatori sulla fotomaschera. Le barre di scala = 200 μm. (C) e (D) sono le immagini corrispondenti dei marcatori sul wafer dopo l'esposizione. Barre di scala = 100 μm. Abbreviazione: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Lo stampo master preparato utilizzando l'MMAA e il dispositivo PDMS risultante realizzato con lo stampo master. (A) Stampo master a doppio strato del dispositivo microfluidico a spina di pesce preparato utilizzando l'MMAA per ottenere l'allineamento degli strati. (B) e (C) sono immagini SEM del dispositivo a spina di pesce in diverse scale con le frecce rosse che puntano verso lo strato inferiore. (D) Dispositivo microfluidico PDMS con motivo a spina di pesce realizzato utilizzando lo stampo master a doppio strato in (A). Abbreviazioni: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio; PDMS = poli(dimetilsilossano); SEM = microscopia elettronica a scansione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Dati immagine e profilometro di uno stampo master a quattro strati creato utilizzando l'MMAA. (A) Immagine di uno stampo master a quattro strati creato utilizzando l'MMAA che mostra l'allineamento riuscito dei livelli. Semplici caratteristiche circolari in dimensioni decrescenti sono state scelte per dimostrare la capacità di allineamento delle MMAA. Barra di scala = 1.250 μm. (B) Dati del profilometro dello stesso stampo master circolare a quattro strati che confermano la presenza dei quattro strati distinti. Abbreviazioni: MMAA = adattatore di allineamento della maschera del microscopio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Materiale supplemantal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il suddetto protocollo delinea la procedura per la stampa 3D di un MMAA e l'utilizzo del sistema per creare uno stampo master di dispositivo microfluidico preciso, multistrato. Sebbene il dispositivo sia facile da usare, ci sono passaggi critici all'interno del protocollo che richiedono pratica e cura per garantire il corretto allineamento degli strati dello stampo principale. Il primo passo critico è la progettazione dell'MMAA. È essenziale quando si progetta l'MMAA determinare le misurazioni esatte per il dispositivo che consentiranno una corretta integrazione all'interno del sistema di esposizione alla luce UV. Un disallineamento del dispositivo può causare un'esposizione irregolare alla luce UV, che può creare deformità delle caratteristiche dello stampo principale. Il secondo passo critico è fare attenzione quando si allineano il primo e il secondo strato dello stampo master quando si utilizza l'MMAA. È imperativo dopo aver allineato la fotomaschera del secondo strato con i marcatori di allineamento del primo strato che l'utente faccia molta attenzione quando fissa la fotomaschera al wafer e all'MMAA. Le caratteristiche di dimensioni micron significano che qualsiasi piccolo disallineamento dovuto al movimento della fotomaschera durante la fissazione può creare errori di allineamento che possono rendere inutilizzabile il dispositivo PDMS finale. Pertanto, questo passaggio richiede un'accuratezza che può essere sviluppata con la pratica utilizzando l'MMAA. L'ultimo passo fondamentale è garantire che non vi sia spazio tra la fotomaschera e il wafer rivestito per garantire un'esposizione uniforme alla luce UV. Questa tecnica nell'utilizzo dell'MMAA per creare stampi master multistrato è limitata dall'attenzione ai dettagli e dalla cura dell'utente quando si segue il protocollo dato in quanto i passaggi critici di cui sopra devono essere seguiti per garantire strati ben allineati.
I dispositivi microfluidici multistrato sono in genere difficili da produrre con pochi errori a meno che non siano disponibili apparecchiature di allineamento tradizionali. Questa apparecchiatura è costosa e, a causa della sua sensibilità, richiede una formazione speciale e in genere un ambiente di camera bianca che non è sempre disponibile per i laboratori più piccoli. Inoltre, gli allineatori di maschere personalizzati precedentemente pubblicati in genere richiedono l'acquisto e l'assemblaggio di molti pezzi diversi, il che può ancora rendere le piattaforme costose da produrre e difficili da usare12,13,14. Il significato dell'MMAA è che è un'alternativa facile da fabbricare ed economica alle apparecchiature standard utilizzate per la fabbricazione di dispositivi microfluidici multistrato. Inoltre, l'MMAA non richiede una formazione speciale per il suo utilizzo, in quanto la sua applicazione è abbastanza semplice e utilizza apparecchiature di laboratorio standard già presenti nei laboratori che producono e utilizzano regolarmente dispositivi microfluidici. Ciò consente ai laboratori piccoli e con risorse limitate di produrre dispositivi microfluidici multistrato con funzionalità migliorate.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori vorrebbero ringraziare il Center for Transformative Undergraduate Experiences della Texas Tech University per aver fornito finanziamenti per questo progetto. Gli autori vorrebbero anche riconoscere il supporto del Dipartimento di Ingegneria Chimica della 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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