Design och utveckling av en tredimensionellt tryckt mikroskopmaskjusteringsadapter för tillverkning av mikrofluidiska enheter med flera lager
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.
Protocol
Representative Results
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 passfo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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., Wang, M. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. , 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., Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. , 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)
