Summary
Detta projekt gör det möjligt för små laboratorier att utveckla en lättanvänd plattform för tillverkning av exakta mikrofluidiska multilagerenheter. Plattformen består av en tredimensionellt tryckt mikroskopmaskjusteringsadapter med vilken flerskiktsmikrofluidiska enheter med justeringsfel på <10 μm uppnåddes.
Abstract
Detta projekt syftar till att utveckla en lättanvänd och kostnadseffektiv plattform för tillverkning av exakta mikrofluidiska enheter med flera skikt, vilket vanligtvis bara kan uppnås med hjälp av dyr utrustning i renrumsinställning. Den viktigaste delen av plattformen är en tredimensionellt (3D) tryckt mikroskopmaskjusteringsadapter (MMAA) kompatibel med vanliga optiska mikroskop och ultravioletta (UV) ljusexponeringssystem. Den övergripande processen för att skapa enheten har förenklats avsevärt på grund av det arbete som gjorts för att optimera enhetens design. Processen innebär att hitta rätt dimensioner för den utrustning som finns i laboratoriet och 3D-utskrift av MMAA med optimerade specifikationer. Experimentella resultat visar att den optimerade MMAA som designats och tillverkats av 3D-utskrift fungerar bra med ett gemensamt mikroskop- och ljusexponeringssystem. Med hjälp av en masterform som framställs av den 3D-printade MMAA innehåller de resulterande mikrofluidiska enheterna med flerskiktade strukturer justeringsfel på <10 μm, vilket är tillräckligt för vanliga mikrochips. Även om mänskliga fel genom transport av enheten till UV-ljusexponeringssystemet kan orsaka större tillverkningsfel, är de minimala fel som uppnås i denna studie uppnåeliga med övning och omsorg. Dessutom kan MMAA anpassas för att passa alla mikroskop och UV-exponeringssystem genom att göra ändringar i modellfilen i 3D-utskriftssystemet. Detta projekt ger mindre laboratorier ett användbart forskningsverktyg eftersom det endast kräver användning av utrustning som vanligtvis redan är tillgänglig för laboratorier som producerar och använder mikrofluidiska enheter. I följande detaljerade protokoll beskrivs design- och 3D-utskriftsprocessen för MMAA. Dessutom beskrivs stegen för att skaffa en flerskikts masterform med hjälp av MMAA och producerar poly (dimetylsiloxan) (PDMS) mikrofluidiska chips också häri.
Introduction
Ett välutvecklat och lovande område inom ingenjörsforskning är mikrotillverkning på grund av den stora vidden av applikationer som använder mikrofluidiska plattformar. Mikrotillverkning är en process där strukturer produceras med μm- eller mindre egenskaper med hjälp av olika kemiska föreningar. Eftersom mikrofluidisk forskning har utvecklats under de senaste 30 åren har mjuk litografi blivit den mest populära mikrotillverkningstekniken för att producera mikrochips gjorda av poly (dimetylsiloxan) (PDMS) eller liknande ämnen. Dessa mikrochips har använts i stor utsträckning för miniatyrisering av vanliga laboratoriemetoder1,2,3,4 och har blivit kraftfulla forskningsverktyg för ingenjörer att efterlikna reaktionsprocesser5,6,7,studiereaktionsmekanismer och efterlikna organ som finns i människokroppens in vitro (t.ex. organ-på-ett-chip)8,9,10. Men när programmets komplexitet ökar är det typiskt att en mer komplex mikrofluidisk enhetsdesign möjliggör bättre replikering av det verkliga systemet som det är avsett att imitera.
Det grundläggande mjuka litografiförfarandet innebär att man belägger ett substrat med ett fotoresistiskt ämne och placerar en fotomask över det belagda substratet innan substratet utsätts förUV-ljus 11. Fotomasken har transparenta regioner som efterliknar det önskade mönstret för de mikrofluidiska enhetskanalerna. När det belagda substratet utsätts för UV-ljus tillåter de genomskinliga regionerna UV-ljuset att tränga igenom fotomasken, vilket gör att fotoresisten korslänkas. Efter exponeringssteget tvättas den olänkade fotoresisten bort med hjälp av en utvecklare, vilket lämnar fasta strukturer med det avsedda mönstret. När komplexiteten hos de mikrofluidiska enheterna blir större kräver de flerskiktskonstruktion med extremt exakta dimensioner. Processen med mikrotillverkning med flera lager är mycket svårare jämfört med mikrotillverkning i ett lager.
Mikrotillverkning med flera lager kräver exakt justering av de första lagerfunktionerna med designerna på den andra masken. Normalt utförs denna process med hjälp av en kommersiell maskjusterare, vilket är dyrt och kräver utbildning för att driva maskinen. Således är processen med mikrotillverkning med flera skikt vanligtvis ouppnåelig för mindre laboratorier som saknar medel eller tid för sådana ansträngningar. Medan flera andra specialbyggda mask aligners har utvecklats, kräver dessa system ofta inköp och montering av många olika delar och kan fortfarande vara ganska komplexa12,13,14. Detta är inte bara dyrt för mindre laboratorier, utan kräver också tid och utbildning för att bygga, förstå och använda systemet. Mask aligner som beskrivs i detta dokument försökte lindra dessa problem eftersom det inte finns något behov av inköp av ytterligare utrustning, vilket endast kräver utrustning som vanligtvis redan finns i laboratorier som producerar och använder mikrofluidiska enheter. Dessutom tillverkas mask alignern av 3D-utskrift, som med den senaste utvecklingen av 3D-utskriftsteknik har blivit lätt tillgänglig för de flesta laboratorier och universitet till en överkomlig kostnad.
Protokollet som beskrivs i detta dokument syftar till att skapa en kostnadseffektiv och lättanvänd alternativ maskjusterare. Mask aligner detaljerad häri kan göra multilayer mikrotillverkning genomförbart för forskningslaboratorier utan konventionella tillverkningsanläggningar. Med hjälp av MMAA (Microscope Mask Alignment Adapter) kan funktionella mikrochips med komplexa egenskaper uppnås med hjälp av en vanlig UV-ljuskälla, optiskt mikroskop och gemensam laboratorieutrustning. Resultaten visar att MMAA fungerar bra med ett exempelsystem med hjälp av ett upprätt mikroskop och en UV-ljusexponeringslåda. MMAA som produceras med hjälp av 3D-utskriftsprocessen användes för att förvärva en bilayer master mögel av en fiskben mikrofluidic enhet med minimal justering fel. Med hjälp av masterformen som är tillverkad med en 3D-printad MMAA, förbereddes mikrofluidiska enheter med flerskiktade strukturer som innehåller justeringsfel på <10 μm. Justeringsfelet för < μm är minimalt nog för att inte hindra tillämpningen av den mikrofluidiska enheten.
Dessutom bekräftades den framgångsrika justeringen av en masterform i fyra lager som producerats med hjälp av MMAA, och justeringsfel bestämdes vara <10 μm. Mikrofluidiska enheters funktionalitet och minimala justeringsfel validerar MMAA:s framgångsrika tillämpning för att skapa mikrofluidiska enheter med flera skikt. MMAA kan anpassas för att passa alla mikroskop och UV-exponeringssystem genom att göra mindre ändringar i filen i 3D-skrivaren. I följande protokoll beskrivs de steg som krävs för att finjustera MMAA så att den passar den utrustning som finns tillgänglig i varje laboratorium och 3D-printa MMAA med de nödvändiga specifikationerna. Dessutom beskriver protokollet hur man utvecklar en flerskikts masterform med hjälp av systemet och producerar därefter PDMS mikrofluidiska enheter med hjälp av huvudformen. Generering av masterformen och mikrofluidiska chips gör det sedan möjligt för användaren att testa systemets effektivitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Designa MMAA
- Erhåll måtten på brickan på det tillgängliga UV-ljusemissionssystemet så att det är det övre gränssystemet för de mått på skivarhållaren (eller UV-exponeringsenheten) som visas i figur 1. Som visas i figur 2A, mät diametern (d) på den inre cirkulära fälgen, den inre höjden (h) på UV-ljusemissionssystemets fack, brickans totala bredd (w) och brickans längd (l).
OBS: Som ett exempel hade det tillgängliga UV-ljusexponeringssystemet innerfacksdimensioner på 5 tum (") x 5" x 0,25" med en 4" cirkulär utskärning. MMAA:s dimensioner utformades sedan för att inte vara större än de inre brickdimensionerna för att passa ordentligt och sitta platt i systemets fack enligt figur 2B. Se figur 3 för MMAA:s 3D-printade delar: fotoresistbelagd kiselskiva och ett fästelement för att fästa inställningen på mikroskopet. - Mät längden mellan skruvarna på det tillgängliga upprätt mikroskopsteget som håller glidhållaren på plats. Mät dessutom skruvarna. Applicera dessa dimensioner för att anpassa magnethållaren(figur 1)så att det passar det tillgängliga mikroskopet så att MMAA enkelt och exakt fixeras på mikroskopet(figur 4A).
- Använd en tillgänglig datordesignapplikation och anpassa waferhållaren och magnetmikroskopfästet så att de passar inom de uppmätta dimensionerna. Utforma höjden, bredden och längden på skivans hållare så att den inte är större än höjden (h), bredden (w) och längden (l) på UV-ljusemissionssystemets fack. Dessutom kan du inkludera den cirkulära utskärningen längst ner på skivans hållare med samma diameter (d) som UV-ljusemissionssystemets bricka. Generera STL- eller CAD-filer för de två delarna av MMAA som ska användas för 3D-utskrift av enheten (se kompletterande material).
2.3D Skriva ut MMAA
- Ladda upp de genererade STL- eller CAD-filerna till den tillgängliga 3D-utskriftsprogramvaran. 3D-Skriv ut de två delarna av MMAA genom att följa lämplig procedur för den 3D-process och skrivare som används. Fyll i bitarna genom att följa eventuella nödvändiga steg efter utskriften (t.ex. avlägsnande av stödmaterial, avlägsnande av ocured harts, ytterligare tvätt- eller härdningssteg). Alternativt kan du använda en tillgänglig 3D-utskriftsanläggning för att få de designade delarna tryckta och ifyllda någon annanstans.
- Se till att waferhållaren passar bra och sitter platt inuti brickan på det tillgängliga UV-ljusexponeringssystemet(figur 2B). Se dessutom till att mikroskopfästet är fastsatt på mikroskopstadiet och enkelt kan flyttas med hjälp av de rattar som styr mikroskopstegets x- och y-lägen (figur 4A).
- När bitarna är färdiglagda sätter du in och fixar magneterna i skivarhållaren och mikroskopfästet (figur 3A), med hjälp av superlim eller något annat fästämne. Låt limmet torka innan du testar systemet.
Obs: Om så önskas kan en protypbit först skrivas ut med en FDM-3D-skrivare (Fused Deposition Modeling) för att spara resurser och pengar15. Denna protyp kan sedan bedömas för korrekt passform på den tillgängliga utrustningen, och designen kan sedan ändras vid behov. Den slutliga enheten kan sedan skrivas ut med en mer exakt process (t.ex. stereolitografi) för bättre precision. Den slutliga enheten kan också skrivas ut med en genomskinlig finish för optimal användning under mikroskopet.
3. Experimentell testning av MMAA
- Design och utskrift av mikrofluidiska enhetsfotomasker med justeringsmarkörer
- Använd ett datordesignprogram för att designa fotomasker för önskad bilayer mikrofluidisk enhet.
- Inkludera ytterligare strukturer på sidan av de mikrofluidiska enhetskanalstrukturerna som fungerar som justeringsmarkörer (närmare kanten av fotomasken/masterformen) som visas i figur 5A, B. Se till att det finns en justeringsmarkör på varje sida av den mikrofluidiska enheten (för totalt minst fyra). Se dessutom till att fotomasken innehåller en rak kant som kan passa perfekt med kiselskivans raka kant.
OBS: Den högre intriken i justeringsmarkörens struktur möjliggör större justeringsnoggrannhet för de ytterligare lagren. Minst bör en enkel korskonstruktion med måtten 1 mm x 1 mm användas (figur 6A). Ett exempel på justeringsmarkörer kan ses i hörnen och den nedre mittkanten av figur 5A, B, som visar de första och andra lager fotomaskerna som används för att generera en masterform i dubbla lager. - Skriv ut fotomaskerna antingen via en kommersiell leverantör eller via andra tillgängliga faciliteter
- Skapande av bilayer master mögel med hjälp av MMAA (fotolitografi)
- Med hjälp av standard fotolitografi tekniker och fotoresist tillverkarens instruktioner, skapa det första lagret av master mögel med hjälp av det första lagret fotomask16. Använd en 4" kiselskiva med lämplig fotoresist (dvs. SU-8) för att skapa önskad lagertjocklek. Se till att den första lagertjockleken är större än de efterföljande lagren för enkel identifiering av justeringsmarkörerna.
- Använd en ljus markörpenna (t.ex. guld) för att färglägga det första lagrets justeringsmarkörer på alla fyra sidor.
- Med hjälp av fotoresisttillverkarens instruktioner, initiera det andra lagret av masterformen genom att snurra fotoresisten på skivan och utföra den mjuka bakningen16. För in den belagda skivan i MMAA:s skiva (figur 3B) och fäst den belagda skivan på MMAA med tejp.
- Fäst skivarhållaren på det tillgängliga upprättstående mikroskopet med hjälp av magnetmikroskopfästet (figur 4A). Flytta MMAA:s position med hjälp av mikroskopets x- och y-riktningsknappar tills en av de färgade justeringsmarkeringarna på skivan visas genom mikroskoplinsen.
- Sätt in fotomasken i andra skiktet i skivans hållare ovanpå den belagda skivan (figur 3C). Se till att det första lagrets färgade justeringsmarkörer delvis kan ses genom justeringsmarkörerna på fotomasken.
- Fäst fotomasken på en saxlyft (även känd som ett stöduttag) genom en av sidoutskärningarna (figur 4B) med tejp. Använd saxlyften för att justera fotomaskens z-riktningsposition tills den ligger precis ovanför den belagda skivan (Bild 3C).
OBS: Saxlyften möjliggör finjustering av fotomaskens z-läge, eftersom saxlyften kan användas för att flytta positionen för den bifogade fotomasken i z-riktningen. - Håll fotomasken stilla, titta igenom mikroskoplinsen och identifiera det första lagrets färgade justeringsmarkörer under bildmaskens justeringsmarkörer. Använd mikroskopstegets x- och y-riktningsknappar för att flytta MMAA:s position (figur 4D). Justera MMAA:s position tills justeringsmarkören på fotomasken läggs ovanpå den färgade justeringsmarkören på det första lagret (figur 6A, B) genom att observera justeringsmarkörernas position genom mikroskoplinsen.
- Applicera försiktigt en liten kraft på fotomasken och använd tejp för att säkra fotomasken på plats ovanpå den belagda skivan. Ta bort fotomasken från saxlyften. Se till att alla fyra justeringsmarkörerna på fotomasken är i linje med de fyra justeringsmarkörerna på det första lagret.
- När justeringen har uppnåtts, lossa försiktigt waferhållaren från mikroskopstadiet. Sätt in glasskivan ovanpå skivan och fotomasken för att minska avståndet mellan de två delarna (bild 1). Placera hela waferhållaren i det tillgängliga UV-ljusexponeringssystemet enligt figur 4E. Exponera det andra lagret under lämplig tid och ljusintensitet enligt beskrivningen i fotoresisttillverkarens anvisningar16.
- Ta bort waferhållaren från UV-ljusexponeringssystemet. Ta bort den belagda skivan från waferhållaren och lossa fotomasken från skivan. Slutför bearbetningen av det andra skiktet (t.ex. efter gräddning, utveckling och sköljning och torr) enligt fotoresisttillverkarens anvisningar16.
OBS: Den exakta spinnbeläggningen, mjuk bakning, blottning, efterbakning och utveckling av förhållanden (tid, temperatur) varierar beroende på vilken fotoresist som används och önskad lagertjocklek. De faktiska förhållandena och det exakta fotolitografiförfarandet bör baseras på fotoresisttillverkarens instruktioner.
- Förberedelse av en mikrofluidisk enhet med hjälp av huvudformen (mjuk litografi)
- Hämta huvudformen och säkra den i mitten av en 150 mm x 15 mm plast Petri skål med tejp.
- Förbered ~15-20 g PDMS baserat på tillverkarens instruktioner. Placera PDMS i en vakuumkammare eller låt det vila tills det är fritt från bubblor. Häll PDMS i Petri-skålen som innehåller masterformen.
- Låt Petri-skålen med masterformen vila på bänkskivan tills PDMS är fri från eventuella bubblor. Placera Petriskålen i en ugn vid 65 °C tills PDMS är helt härdad (minst 3 timmar).
- Klipp ut PDMS för att avslöja mikrokanalstrukturerna. Skär PDMS runt mikrokanalstrukturerna i separata mikrochips och skapa inlopps- och utloppshålen för mikrofluidenheten. Använd tejp för att försiktigt ta bort eventuella små partiklar som kan ligga på PDMS-ytan.
- Komplettera mikrochiptillverkningen genom att binda PDMS-chippet till PDMS eller ett mikroskopbild genom plasmabehandling av PDMS-chippet och det ytterligare substratet.
- Bestämning av justeringsfelet
- Hämta huvudformen och använd det upprättstående mikroskopet för att bestämma mellanrumsavståndet (justeringsfelet) mellan det första lagret och det andra lagret. Gör detta genom att helt enkelt mäta det avstånd med vilket det andra skiktet flyttas och feljusteras från det första skiktet på mikrokanalstrukturerna (se figur 5D för ett exempel på ett uppmätt mellanrumsavstånd).
- Använd det upprättstående mikroskopet för att avgöra om PDMS-chippet innehåller kanalväggar som är raka med tydliga enhetskanter. Kontrollera dessutom PDMS-chippet efter eventuella defekter som kan hindra enhetens funktionalitet.
OBS: Masterformtillverkningen (avsnitten 3.2 och 3.3) kan behöva upprepas för att uppnå ett lägre justeringsfel. Upprepad övning med hjälp av MMAA visas för att förbättra användarens förmåga att skapa en välanpassad masterform. Dessutom kan bilder erhållas genom att skanna elektronmikroskopi (SEM) (figur 7) för att bekräfta justeringsfelet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Genom optimering och användning av MMAA (Figur 1), flerskikt master mögel med minimal justering fel tillverkades. Den slutliga MMAA tillverkades med hjälp av den sammansmälta glödtrådstillverkningsprocessen (FFF) 3D-printing(figur 2). FFF-processen ger ökad noggrannhet för önskade enhetsdimensioner. MMAA består av två huvuddelar(figur 3):basstycket och det anpassade fästelementet. Basstycket består av UV-exponeringsenheten, som fungerar som waferhållare. UV-exponeringsenheten möjliggör korrekt justering av fotomasken och den belagda kiselskivan. Den andra biten är det anpassade fästelementet som fixerar waferhållaren till mikroskopets plattform med magneter. Hela installationen som används för att hjälpa till att anpassa de övre och nedre lagren av den dubbla lagrets originalform visas i figur 4. Detta system och det beskrivna protokollet användes för justering av markörerna på fotomasken med markörerna på huvudformens ursprungliga lager (figur 6). Den dubbla SU-8 masterformen för en mikrofluidisk anordning med ett fiskbensmönster tillverkades sedan och visade sig ha ett mellanrum på <5 μm mellan de två lagren (figur 5).
Den tvåskiktiga masterformen (Figur 7A) användes sedan för att tillverka PDMS-mikrochips som kan ses i figur 7D. SEM-bilderna som ses i figur 7B,C visar att den mikrofluidiska enheten med fiskbensmönstret innehåller tydliga kanter, raka väggar och väljusterade lager, som är viktiga för korrekt enhetsfunktionalitet. Dessutom skapades en masterform i fyra lager med enkla cirkulära funktioner (Figur 8A) med hjälp av MMAA för att visa framgångsrik justering av en flerskikts masterform. Profilometerdata (Figur 8B) bekräftar de fyra distinkta lagren av huvudformen. Mätningar som gjorts av justeringsfelet som erhållits för flera fyraskiktsfunktioner med olika geometri bekräftar att justeringsfelet inte är större än 5 % av det konstruerade avståndet mellan lagren. Från bilderna av den slutliga enheten är det uppenbart att mänskliga fel under fixering av masken på MMAA innan UV-exponeringen för det andra lagret ökade mellanrumsavståndet mellan de två enhetsskikten och orsakade feljustering. Men när användaren blir mer bekant med proceduren kan den slutliga enheten produceras med ett resulterande justeringsfel på <10 μm, vilket bekräftas av de avbildade resultaten.
Bild 1:Utformning av en 3D-utskrivbar MMAA för mikrotillverkning med flera skikt. Illustrationen visar de två delarna av MMAA: UV-exponeringsenheten och det anpassade mikroskopfästet. UV-exponeringsenheten rymmer i fallande ordning glasskivan, som håller fotomasken mot skivan; Fotomasken. och den fotoresistbelagda skivan. UV-exponeringsenheten är sedan magnetiskt fastsatt på det anpassade mikroskopfästet, som är fäst vid mikroskopstadiet, och möjliggör sedan korrekt justering av fotomasken och skivan. Förkortningar: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask; UV = ultraviolett. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2:Anpassning och 3D-utskrift av en MMAA och efterbehandling för en helt härdad anordning. (A) Foto av facket i det tillgängliga UV-ljusemissionssystemet som visar de nödvändiga mätningarna som behövs för att anpassa MMAA. Användaren bör mäta diametern (d) på den inre cirkulära fälgen, den inre höjden (h), brickans totala bredd (w) och brickans längd (l). (B) Efter anpassningen ska MMAA sedan sitta platt inuti brickan som visas här. C)Illustration av FFF 3D-utskriftsprocessen. FFF-processen producerar strukturer genom att lägga den 3D-utskrivna glödtråden i lager. Glödtråden deponeras i tunna lager, en ovanpå nästa, tills det sista 3D-utskrivna stycket produceras. D)Härdning av den slutliga 3D-printade MMAA i UV-härdningskammaren som en del av eftertrycksprocessen. Förkortningar: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask; UV = ultraviolett; FFF = smält filamenttillverkning. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 3:3D-Printade delar av en MMAA. (A) Två delar var sammankopplade med magneter (indikeras av röd streckad rektangel). B)MMAA som innehåller en kiselskiva belagd med ett tunt lager fotoresist (SU-8). C)MMAA med en fotomask över den belagda kiselskivan inför justeringsprocessen. Förkortning: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 4:Förfarande för attanvända en 3D-utskriven MMAA för justering av fotomasken. (A) Efter att MMAA har laddats med den fotoresistbelagda kiselskivan placeras MMAA sedan på scenen i ett upprätt mikroskopsystem och fixeras på scenen med hjälp av det magnetiska mikroskopfästet som visas på bilden. (B) Fotomasken sätts sedan in i MMAA och fästs på z-riktningsjusterande plattformen, även känd som en saxlyft, genom en av sidorna av MMAA som visas på bilden. (C) Saxlyftplattformens höjd justeras sedan tills fotomasken ligger precis ovanför den belagda kiselskivan som visas på bilden. Från och med nu flyttas inte fotomasken förrän justeringen är klar. (D) För att uppnå perfekt inriktning justeras sedan MMAA:s och därmed kiselskivans position på mikroskopstadiet i x- och y-riktningarna med hjälp av mikroskopets rattar som visas på bilden. Kiselskivans x- och y-lägen justeras fint, medan användaren observerar genom mikroskoplinsen tills justeringsmarkeringarna på kiselskivan och fotomasken läggs ovanpå. När detta har uppnåtts kan fotomasken sedan fästas på skivan. (E) När justeringen har uppnåtts lossas MMAA försiktigt från mikroskopstadiet och placeras i facket i UV-ljusexponeringssystemet. Brickan kan stängas så att skivan kan utsättas för UV-bestrålning för att bota fotoresisten. Förkortning: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 5: Kanalstruktur i dubbla lager som skapats med hjälp av MMAA. Den dubbla lager masterformen är utformad för produktion av fiskbensmikrofluidiska enheter med fyra parallella kanaler. (A) Bild av fotomaskdesignen i första skiktet, som innehåller konturen för kanalerna och genererar det ihåliga golvet i den mikrofluidiska enheten. B)Bild av fotomaskdesignen i andra skiktet, som innehåller fiskbensmönstret inuti kanalerna som kantar taket på den mikrofluidiska anordningen. C)Inloppsstrukturen hos den dubbelskiktiga masterformen som indikeras av röda streckade rektanglar i(A)och (B). Bilden visar minimalt mellanrum mellan de två lagren. D)En del av den dubbelskiktiga huvudformen som visar en böjning i kanalen som indikeras av gröna streckade rektanglari (A)och (B). Mellanrumsavståndet mellan de två pilarna är 5 μm. Skalstänger = 100 μm. Förkortning: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 6: Mikrotillverkningsresultaten med MMAA. (A) och (B) visar justeringen av markörerna på fotomasken. Skalstänger = 200 μm. (C) och (D) är motsvarande bilder av markörerna på skivan efter exponering. Skalstänger = 100 μm. Förkortning: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 7:Masterformen som bereds med hjälp av MMAA och den resulterande PDMS-enheten tillverkad av masterformen. (A) Dubbelskikts masterform av fiskbensmikrofluidisk enhet beredd med hjälp av MMAA för att uppnå justering av lager. BochCär SEM-bilderav fiskbensanordningen i olika skalor med de röda pilarna riktade mot det nedre lagret. (D) PDMS mikrofluidiska anordning med fiskbensmönster tillverkat med hjälp av dubbelskikts masterformen i (A). Förkortningar: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask; PDMS = poly(dimetylsiloxan); SEM = scanning elektronmikroskopi. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 8: Bild- och profilometerdata för en huvudform i fyra lager som skapats med hjälp av MMAA. (A) Bild av en huvudform i fyra lager som skapats med hjälp av MMAA som visar lyckad justering av lagren. Enkla cirkulära funktioner i fallande storlek valdes för att demonstrera justeringskapaciteten hos MMAA. Skalstång = 1 250 μm. (B) Profilometerdata för samma cirkulära huvudform i fyra lager som bekräftar närvaron av de fyra distinkta lagren. Förkortningar: MMAA = justeringsadapter för mikroskopmask. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Supplemantal Material. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det ovannämnda protokollet beskriver proceduren för 3D-utskrift av en MMAA och använder systemet för att skapa en exakt, multilayer, mikrofluidisk enhets masterform. Även om enheten är lätt att använda finns det kritiska steg i protokollet som kräver övning och omsorg för att säkerställa korrekt justering av de stora mögellagren. Det första kritiska steget är utformningen av MMAA. Det är viktigt när du utformar MMAA för att bestämma de exakta mätningarna för enheten som möjliggör en korrekt passform inuti UV-ljusexponeringssystemet. En feljustering av enheten kan orsaka ojämn UV-ljusexponering, vilket kan skapa missbildningar av masterformfunktionerna. Det andra kritiska steget är att vara försiktig när du justerar det första och andra lagret av masterformen när du använder MMAA. Det är absolut nödvändigt efter att ha justerat andra lagerfotomasken med de första lagerjusteringsmarkörerna att användaren är mycket försiktig när han eller hon fixar fotomasken till skivan och MMAA. Funktionerna i mikronstorlek innebär att alla små feljusteringar på grund av fotomaskens rörelse under fixeringen kan skapa justeringsfel som kan göra den slutliga PDMS-enheten oanvändbar. Därför kräver detta steg noggrannhet som kan utvecklas med övning med hjälp av MMAA. Det sista kritiska steget är att se till att det inte finns något mellanrum mellan fotomasken och den belagda skivan för att säkerställa jämn UV-ljusexponering. Denna teknik för att använda MMAA för att skapa flerskikts masterformar begränsas av användarens uppmärksamhet på detaljer och vård när man följer det angivna protokollet eftersom de kritiska stegen ovan måste följas för att säkerställa väljusterade lager.
Mikrofluidiska multilagerenheter är vanligtvis svåra att producera med lite fel om inte traditionell justeringsutrustning är tillgänglig. Denna utrustning är dyr och på grund av dess känslighet kräver särskild utbildning och vanligtvis en renrumsmiljö som inte alltid är tillgänglig för mindre laboratorier. Dessutom kräver tidigare publicerade specialbyggda mask aligners vanligtvis inköp och montering av många olika bitar, vilket fortfarande kan göra plattformarna dyra att producera och svåra att använda12,13,14. MMAA: s betydelse är att det är ett lätt att tillverka och kostnadseffektivt alternativ till standardutrustning som används för multilagermikrofluidisk enhetstillverkning. Dessutom kräver MMAA ingen särskild utbildning för dess användning, eftersom dess tillämpning är ganska enkel och använder standard laboratorieutrustning som redan finns i laboratorier som regelbundet producerar och använder mikrofluidiska enheter. Detta gör det möjligt för små och resursbegränsade laboratorier att producera mikrofluidiska enheter med flera skikt med förbättrad funktionalitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna Center for Transformative Undergraduate Experiences från Texas Tech University för att tillhandahålla finansiering för detta projekt. Författarna vill också erkänna stöd från Chemical Engineering Department vid 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
- Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
- Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
- Kong, D. S., Carr, P. A., Chen, L., Zhang, S., Jacobson, J. M. Parallel gene synthesis in a microfluidic device. Nucleic Acids Research. 35 (8), 61 (2007).
- Yang, M., Li, C. -W., Yang, J. Cell docking and on-chip monitoring of cellular reactions with a controlled concentration gradient on a microfluidic device. Analytical Chemistry. 74 (16), 3991-4001 (2002).
- Keles, H., et al. Development of a robust and reusable microreactor employing laser based mid-IR chemical imaging for the automated quantification of reaction kinetics. Organic Process Research & Development. 21 (11), 1761-1768 (2017).
- Losey, M. W., Jackman, R. J., Firebaugh, S. L., Schmidt, M. A., Jensen, K. F. Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction. Journal of Microelectromechanical Systems. 11 (6), 709-717 (2002).
- Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
- Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
- Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 33 (1), 43-48 (2018).
- Lee, H., et al. A pumpless Multi-Organ-on-a-Chip (MOC) combined with a Pharmacokinetic-Pharmacodynamic (PK-PD) model. Biotechnology and Bioengineering. 114 (2), 432-443 (2017).
- Kang, S. -W. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. Wang, M. , IntechOpen. 403-426 (2010).
- Challa, P. K., Kartanas, T., Charmet, J., Knowles, T. P. J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LED-lithography patterning. Biomicrofluidics. 11, 014113 (2017).
- Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
- Pham, Q. L., Tong, N. -A. N., Mathew, A., Voronov, R. S. A compact low-cost low-maintenance open architecture mask aligner for fabrication of multilayer microfluidics devices. Biomicrofluidics. 12 (4), 044119 (2018).
- Ravi, T., Ranganathan, R. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. , Springer. Singapore. 189-198 (2019).
- SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials. , Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020).
