Summary
يسمح هذا المشروع للمختبرات الصغيرة بتطوير منصة سهلة الاستخدام لتصنيع أجهزة دقيقة متعددة الطبقات ذات طبقات دقيقة. تتكون المنصة من محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام أجهزة microfluidic متعددة الطبقات مع أخطاء محاذاة <10 ميكرومتر.
Abstract
يهدف هذا المشروع إلى تطوير منصة سهلة الاستخدام وفعالة من حيث التكلفة لتصنيع أجهزة دقيقة متعددة الطبقات ذات طبقات دقيقة ، والتي لا يمكن تحقيقها عادة إلا باستخدام معدات مكلفة في أجواء غرفة نظيفة. الجزء الرئيسي من المنصة هو محول محاذاة قناع المجهر المطبوع ثلاثي الأبعاد (MMAA) المتوافق مع المجاهر البصرية العادية وأنظمة التعرض للأشعة فوق البنفسجية (UV). وقد تم تبسيط العملية الشاملة لإنشاء الجهاز إلى حد كبير بسبب العمل المنجز لتحسين تصميم الجهاز. وتنطوي العملية على إيجاد الأبعاد المناسبة للمعدات المتاحة في المختبر وطباعة 3D MMAA مع المواصفات الأمثل. تظهر النتائج التجريبية أن MMAA الأمثل المصممة والمصنعة من قبل الطباعة ثلاثية الأبعاد تؤدي بشكل جيد مع المجهر المشترك ونظام التعرض للضوء. باستخدام قالب رئيسي أعده MMAA المطبوع ثلاثي الأبعاد ، تحتوي الأجهزة الدقيقة الناتجة ذات الهياكل متعددة الطبقات على أخطاء محاذاة تبلغ 10 ميكرومترات < ، وهو ما يكفي للرقائق الدقيقة الشائعة. على الرغم من أن الخطأ البشري من خلال نقل الجهاز إلى نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يسبب أخطاء أكبر في التصنيع ، فإن الحد الأدنى من الأخطاء التي تحققت في هذه الدراسة يمكن تحقيقها مع الممارسة والرعاية. وعلاوة على ذلك، يمكن تخصيص MMAA لتناسب أي المجهر والأشعة فوق البنفسجية نظام التعرض عن طريق إجراء تغييرات على ملف النمذجة في نظام الطباعة 3D. ويوفر هذا المشروع للمختبرات الصغيرة أداة بحثية مفيدة لأنه لا يتطلب سوى استخدام معدات متاحة بالفعل عادة للمختبرات التي تنتج وتستخدم أجهزة ميكروفلويد. يحدد البروتوكول التفصيلي التالي عملية التصميم والطباعة ثلاثية الأبعاد ل MMAA. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الخطوات لشراء قالب رئيسي متعدد الطبقات باستخدام MMAA وإنتاج رقائق متعددة (dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic هو أيضا وصف هنا.
Introduction
مجال متطور وواعد في البحوث الهندسية هو التصنيع الدقيق بسبب المساحة الشاسعة من التطبيقات التي تستخدم منصات microfluidic. التصنيع الدقيق هو عملية حيث يتم إنتاج الهياكل مع ميزات μm- أو أصغر الحجم باستخدام مركبات كيميائية مختلفة. كما تطورت البحوث microfluidic على مدى السنوات ال 30 الماضية، أصبحت الطباعة الحجرية الناعمة تقنية التصنيع الدقيق الأكثر شعبية التي لإنتاج رقائق مصنوعة من البولي (ثنائي ميثيلسيل أوكسان) (PDMS) أو مواد مماثلة. وقد استخدمت هذه الرقائق على نطاق واسع لتصغير الممارسات المختبرية الشائعة1،2،3،4 وأصبحت أدوات بحثية قوية للمهندسين لمحاكاة عمليات التفاعل5،6،7، آليات رد فعل الدراسة ، وتقليد الأعضاء الموجودة في جسم الإنسان في المختبر (على سبيل المثال ، الجهاز على رقاقة)8و9و10. ومع ذلك ، مع زيادة تعقيد التطبيق ، فمن المعتاد أن تصميم جهاز microfluidic أكثر تعقيدا يسمح بتكرار أفضل لنظام الحياة الحقيقية الذي يهدف إلى تقليده.
يتضمن إجراء الطباعة الحجرية الناعمة الأساسية طلاء الركيزة بمادة مضادة للضوء ووضع قناع ضوئي فوق الركيزة المغلفة قبل إخضاع الركيزة للأشعة فوق البنفسجية11. تحتوي قناع الصورة على مناطق شفافة تحاكي النمط المطلوب لقنوات الأجهزة الدقيقة. عند إخضاع الركيزة المغلفة للأشعة فوق البنفسجية ، تسمح المناطق الشفافة للضوء الأشعة فوق البنفسجية بالاختراق من خلال قناع ضوئي ، مما يؤدي إلى ربط الممتص الضوئي. بعد خطوة التعرض ، يتم غسلها من قبل un-crosslinked photoresist بعيدا باستخدام المطور ، وترك هياكل صلبة مع النمط المقصود. كما تعقيد الأجهزة microfluidic يصبح أكبر، فإنها تتطلب بناء متعدد الطبقات مع أبعاد دقيقة للغاية. عملية التصنيع المجهري متعدد الطبقات أصعب بكثير مقارنة بالتحضير الدقيق من طبقة واحدة.
يتطلب التصنيع المجهري متعدد الطبقات محاذاة دقيقة لميزات الطبقة الأولى مع التصاميم على القناع الثاني. عادة، يتم تنفيذ هذه العملية باستخدام قناع المحاذاة التجارية، والتي هي مكلفة ويتطلب التدريب لتشغيل الآلات. وهكذا، فإن عملية التصنيع المجهري متعدد الطبقات عادة ما تكون بعيدة المنال بالنسبة للمختبرات الصغيرة التي تفتقر إلى الأموال أو الوقت لمثل هذه المساعي. في حين تم تطوير العديد من أجهزة محاذاة القناع الأخرى المصممة خصيصا ، فإن هذه الأنظمة غالبا ما تتطلب شراء وتجميع أجزاء مختلفة كثيرة ويمكن أن تكون معقدة جدا12و13و14. وهذا ليس مكلفا للمختبرات الصغيرة فحسب، بل يتطلب أيضا وقتا وتدريبا لبناء النظام وفهمه واستخدامه. وسعى جهاز محاذاة القناع المفصل في هذه الورقة إلى التخفيف من حدة هذه المسائل حيث لا حاجة لشراء معدات إضافية، ولا يتطلب سوى معدات موجودة بالفعل عادة في المختبرات التي تنتج وتستخدم أجهزة ميكروفلويديك. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيع جهاز محاذاة القناع من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي مع التقدم الأخير لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أصبحت متاحة بسهولة لمعظم المختبرات والجامعات بتكلفة معقولة.
يهدف البروتوكول المفصل في هذه الورقة إلى إنشاء جهاز محاذاة أقنعة بديل فعال من حيث التكلفة وسهل التشغيل. يمكن لمصفف القناع المفصل هنا أن يجعل التصنيع المجهري متعدد الطبقات ممكنا لمختبرات الأبحاث دون مرافق التصنيع التقليدية. باستخدام محول محاذاة قناع المجهر (MMAA) ، يمكن تحقيق الرقائق الدقيقة الوظيفية ذات الميزات المعقدة باستخدام مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية العادي والمجهر البصري ومعدات المختبر الشائعة. تظهر النتائج أن MMAA يؤدي بشكل جيد مع نظام مثال باستخدام المجهر المستقيم وصندوق التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تم استخدام MMAA المنتجة باستخدام عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للحصول على قالب رئيسي ثنائي الطبقة لجهاز microfluidic الرنجة مع الحد الأدنى من أخطاء المحاذاة. باستخدام القالب الرئيسي المصنعة مع MMAA المطبوعة 3D، تم إعداد أجهزة microfluidic مع هياكل متعددة الطبقات التي تحتوي على أخطاء محاذاة من <10 ميكرومتر. خطأ المحاذاة من <10 ميكرومتر هو الحد الأدنى بما يكفي لعدم عرقلة تطبيق الجهاز microfluidic.
بالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد المحاذاة الناجحة لقالب رئيسي من أربع طبقات تم إنتاجه باستخدام MMAA، وتم تحديد أخطاء المحاذاة لتكون <10 ميكرومتر. وظيفة الجهاز microfluidic والحد الأدنى من أخطاء المحاذاة التحقق من صحة التطبيق الناجح لMMAA في إنشاء أجهزة microfluidic متعدد الطبقات. يمكن تخصيص نظام MMAA ليناسب أي نظام للتعرض للمجهر والأشعة فوق البنفسجية عن طريق إجراء تغييرات طفيفة على الملف في الطابعة ثلاثية الأبعاد. يحدد البروتوكول التالي الخطوات اللازمة لضبط MMAA لتناسب المعدات المتاحة في كل مختبر وطباعة 3D MMAA مع المواصفات المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يفصل البروتوكول كيفية تطوير قالب رئيسي متعدد الطبقات باستخدام النظام ثم إنتاج أجهزة PDMS microfluidic باستخدام القالب الرئيسي. جيل من العفن الرئيسي ورقائق microfluidic ثم يسمح للمستخدم لاختبار فعالية النظام.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصميم مجلس العمل المتحد
- الحصول على أبعاد علبة نظام انبعاث الأشعة فوق البنفسجية المتاحة لتكون الحد الأعلى لأبعاد حامل رقاقة (أو وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية) هو مبين في الشكل 1. كما هو مبين في الشكل 2A، قياس قطر (د) من الحافة الدائرية الداخلية ، والارتفاع الداخلي (ح) من علبة نظام انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية ، والعرض الإجمالي (ث) ، وطول (ل) من الدرج.
ملاحظة: على سبيل المثال، كان لنظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية المتوفر أبعاد صينية داخلية مقاس 5 بوصات (") × 5 بوصات × 0.25 بوصة مع قطع دائري مقاس 4 بوصات. ثم تم تصميم أبعاد MMAA لتكون أكبر من أبعاد الدرج الداخلي لتناسب بشكل صحيح والجلوس شقة داخل صينية النظام كما هو مبين في الشكل 2B. انظر الشكل 3 للقطع المطبوعة ثلاثية الأبعاد من MMAA: رقاقة السيليكون المغلفة بمثبت ضوئي ومراكن لإصلاح الإعداد للمجهر. - قياس الطول بين مسامير على مرحلة المجهر تستقيم المتاحة التي تعقد حامل الشريحة في مكان. بالإضافة إلى ذلك، قياس عرض مسامير. تطبيق هذه الأبعاد لتخصيص حامل المغناطيسي (الشكل 1) لتناسب المجهر المتاحة للسماح لتثبيت سهلة ودقيقة من MMAA إلى المجهر(الشكل 4A).
- باستخدام تطبيق تصميم الكمبيوتر المتوفر، قم بتخصيص حامل الرقاقة ومسرع المجهر المغناطيسي ليتناسب مع الأبعاد المقاسة. تصميم ارتفاع وعرض وطول حامل الرقاقة حتى لا يزيد عن الارتفاع (h) والعرض (w) والطول (l) لعلبة نظام انبعاث الأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، قم بتضمين القطع الدائري في الجزء السفلي من حامل الرقاقة بنفس القطر (د) مثل صينية نظام انبعاثات الأشعة فوق البنفسجية. إنشاء ملفات STL أو CAD لقطعتين من MMAA لاستخدامها في الطباعة ثلاثية الأبعاد للجهاز (انظر المواد التكميلية).
2.3D طباعة MMAA
- تحميل STL أو CAD الملفات التي تم إنشاؤها إلى برنامج الطباعة ثلاثية الأبعاد المتوفرة. 3D-طباعة القطعتين من MMAA باتباع الإجراء المناسب لعملية 3D والطابعة المستخدمة. أكمل القطع باتباع أي خطوات مطلوبة بعد الطباعة (على سبيل المثال، إزالة مواد الدعم، وإزالة الراتنج غير المكواة، والغسيل الإضافي أو خطوات المعالجة). بدلا من ذلك، استخدم مرفق طباعة ثلاثي الأبعاد متوفر لطباعة القطع المصممة واستكمالها في مكان آخر.
- تأكد من حامل رقاقة يناسب بشكل جيد ويجلس شقة داخل صينية من نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية المتاحة(الشكل 2B). بالإضافة إلى ذلك، تأكد من أن مثبت المجهر متصل بمرحلة المجهر ويمكن نقله بسهولة باستخدام المقابض التي تتحكم في وضعي x و y في مرحلة المجهر(الشكل 4A).
- مرة واحدة وقد تم الانتهاء من القطع، إدراج وإصلاح المغناطيس في حامل رقاقة ومجهر السحاب (الشكل 3A)، وذلك باستخدام الغراء السوبر أو أي مادة أخرى تحديد. السماح للغراء لتجف قبل اختبار النظام.
ملاحظة: إذا رغبت في ذلك، يمكن أولا طباعة قطعة protype باستخدام طابعة 3D ترسب تنصهر (FDM) لتوفير الموارد والمال15. ويمكن بعد ذلك تقييم هذا النوع من المعدات للملاءمة الدقيقة مع المعدات المتاحة، ويمكن بعد ذلك تعديل التصميم، إذا لزم الأمر. ويمكن بعد ذلك طباعة الجهاز النهائي باستخدام عملية أكثر دقة (مثل التصوير المجسم) للحصول على دقة أفضل. ويمكن أيضا أن تتم طباعة الجهاز النهائي مع الانتهاء شفافة للاستخدام الأمثل تحت المجهر.
3. الاختبار التجريبي لMMAA
- تصميم وطباعة الكتل الضوئية للجهاز microfluidic مع علامات المحاذاة
- استخدام تطبيق تصميم الكمبيوتر لتصميم الكتل الضوئية لجهاز microfluidic ثنائي الطبقات المطلوب.
- وتشمل هياكل إضافية على جانب هياكل قناة الجهاز microfluidic التي ستكون بمثابة علامات المحاذاة (أقرب نحو حافة قناع ضوئي / العفن الرئيسي) كما هو مبين في الشكل 5A، B. تأكد من وجود علامة محاذاة واحدة على كل جانب من جهاز microfluidic (لما مجموعه أربعة على الأقل). بالإضافة إلى ذلك، تأكد من أن قناع الصورة يحتوي على حافة مستقيمة يمكن أن تتماشى تماما مع الحافة المستقيمة لرقائق السيليكون.
ملاحظة: التعقيد الأعلى لبنية علامة المحاذاة سيسمح بمزيد من دقة المحاذاة للطبقات الإضافية. على الأقل، يجب استخدام بنية صليبية بسيطة مع قياسات 1 مم × 1 مم(الشكل 6A). ويمكن رؤية مثال على علامات المحاذاة في زوايا وأسفل الحافة الوسطى من الشكل 5A، باء، والتي تصور الكتل الضوئية الطبقة الأولى والثانية المستخدمة لتوليد قالب رئيسي مزدوج الطبقة. - طباعة الكتل الضوئية إما من خلال بائع تجاري أو من خلال مرافق أخرى يمكن الوصول إليها
- إنشاء قالب رئيسي ثنائي الطبقات باستخدام MMAA (التصوير الضوئي)
- باستخدام تقنيات التصوير الضوئي القياسية وتعليمات الشركة المصنعة لحامل الصور ، قم بإنشاء الطبقة الأولى من القالب الرئيسي باستخدام قناع ضوئي الطبقة الأولى16. استخدام رقاقة السيليكون 4 "مع الكواتر الضوئي المناسب (أي، SU-8) لخلق سمك الطبقة المطلوبة. تأكد من أن سمك الطبقة الأولى أكبر من الطبقات اللاحقة لتحديد علامات المحاذاة بسهولة.
- استخدم قلم علامة فاتح اللون (مثل الذهب) لتلوين علامات محاذاة الطبقة الأولى على جميع الجوانب الأربعة.
- باستخدام تعليمات الشركة المصنعة لحامل الكواتر الضوئي، بدء الطبقة الثانية من القالب الرئيسي عن طريق تدوير طلاء الكوافر الضوئية على رقاقة وأداء خبز لينة16. إدراج رقاقة المغلفة في حامل رقاقة من MMAA (الشكل 3B) وإصلاح رقاقة المغلفة إلى MMAA باستخدام الشريط.
- إرفاق حامل رقاقة إلى المجهر تستقيم المتاحة باستخدام السحاب المجهر المغناطيسي (الشكل 4A). نقل موقف من MMAA باستخدام المقابض x- و y-الاتجاه من مرحلة المجهر حتى واحدة من علامات المحاذاة الملونة على رقاقة هو في عرض من خلال عدسة المجهر.
- أدخل قناع الصورة من الطبقة الثانية في حامل الرقاقة، أعلى الرقاقة المغلفة(الشكل 3C). تأكد من أن علامات المحاذاة الملونة للطبقة الأولى يمكن رؤيتها جزئيا من خلال علامات المحاذاة على قناع الصورة.
- إرفاق قناع ضوئي إلى رفع مقص (المعروف أيضا باسم جاك الدعم) من خلال واحدة من القواطع الجانبية(الشكل 4B)مع الشريط. استخدم رفع المقص لضبط موضع الاتجاه z للسمة الضوئية حتى تقع فوق الرقاقة المغلفة(الشكل 3C).
ملاحظة: يسمح رفع المقص بضبط موضع z للسمة الضوئية بدقة، حيث يمكن استخدام رفع المقص لتحريك موضع قناع الصورة المرفق في اتجاه z. - مع الحفاظ على قناع ضوئي لا يزال، ننظر من خلال عدسة المجهر وتحديد علامات المحاذاة الملونة الطبقة الأولى تحت علامات المحاذاة من قناع ضوئي. استخدام المقابض x- و y-الاتجاه من مرحلة المجهر لتحريك موقف MMAA (الشكل 4D). ضبط موقف مجلس العمل المتحد حتى يتم فرض علامة المحاذاة على قناع ضوئي مع علامة المحاذاة الملونة على الطبقة الأولى(الشكل 6A، B)من خلال مراقبة موقف علامات المحاذاة من خلال عدسة المجهر.
- تطبيق بعناية قوة طفيفة على قناع ضوئي واستخدام الشريط لتأمين قناع ضوئي في مكان على رأس رقاقة المغلفة. فصل قناع ضوئي من رفع مقص. تأكد من أن جميع علامات المحاذاة الأربعة الموجودة على قناع الصورة تتم محاذاتها مع علامات المحاذاة الأربعة في الطبقة الأولى.
- بمجرد تحقيق المحاذاة ، افصل حامل الرقاقة بعناية عن مرحلة المجهر. إدراج لوحة الزجاج العلوي على رأس رقاقة وphotomask لتقليل الفجوة بين القطعتين (الشكل 1). ضع حامل الرقاقة بالكامل في نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية المتوفر كما هو موضح في الشكل 4E. فضح الطبقة الثانية للوقت المناسب وكثافة الضوء كما هو موضح في تعليمات الشركة المصنعة لواجهات التصوير16.
- قم بإزالة حامل الرقاقة من نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية. إزالة رقاقة المغلفة من حامل رقاقة وفصل قناع ضوئي من رقاقة. استكمال تجهيز الطبقة الثانية (على سبيل المثال، بعد خبز، وتطوير، وشطف وجاف) وفقا لتعليمات الشركة المصنعة لواجهات التصوير16.
ملاحظة: سوف تختلف الدقيقة تدور الطلاء، والخبز لينة، وفضح، بعد الخبز، وظروف النامية (الوقت ودرجة الحرارة) على أساس مقاومة ضوئية المستخدمة وسمك الطبقة المطلوبة. يجب أن تستند الظروف الفعلية وإجراءات التصوير الضوئي الدقيقة إلى تعليمات الشركة المصنعة لأخصائي التصوير الضوئي.
- إعداد جهاز microfluidic باستخدام القالب الرئيسي (الطباعة الحجرية الناعمة)
- استرداد القالب الرئيسي وتأمينه في منتصف 150 ملم × 15 ملم طبق بيتري البلاستيك مع الشريط.
- إعداد ~ 15-20 غرام من PDMS على أساس تعليمات الشركة المصنعة. ضع PDMS في غرفة فراغ أو دعه يرتاح حتى يخلو من أي فقاعات. صب PDMS في طبق بيتري التي تحتوي على القالب الرئيسي.
- دع طبق بيتري مع القالب الرئيسي يستريح على كونترتوب حتى يصبح PDMS خاليا من أي فقاعات. ضعي طبق بيتري في الفرن عند 65 درجة مئوية حتى يشفى PDMS بالكامل (3 ح على الأقل).
- قطع PDMS للكشف عن هياكل القنوات الدقيقة. قطع PDMS حول هياكل microchannel إلى رقائق منفصلة وخلق مدخل ومنفذ ثقوب للجهاز microfluidic. استخدم الشريط لإزالة أي جسيمات صغيرة قد تقع على سطح PDMS برفق.
- أكمل تصنيع الرقائق الدقيقة عن طريق ربط رقاقة PDMS ب PDMS أو شريحة المجهر عن طريق معالجة البلازما لشريحة PDMS والركيزة الإضافية.
- تحديد خطأ المحاذاة
- استرداد القالب الرئيسي واستخدام المجهر تستقيم لتحديد المسافة الفجوة (خطأ المحاذاة) بين الطبقة الأولى والطبقة الثانية. قم بذلك ببساطة عن طريق قياس المسافة التي يتم بها تحويل الطبقة الثانية وتضليلها من الطبقة الأولى على هياكل القنوات الدقيقة (انظر الشكل 5D للحصول على مثال لمسافة الفجوة المقاسة).
- استخدم المجهر المستقيم لتحديد ما إذا كانت شريحة PDMS تحتوي على جدران قنوات مستقيمة مع حواف جهاز واضحة. بالإضافة إلى ذلك، تحقق من شريحة PDMS لأي عيوب محتملة قد تعيق وظائف الجهاز.
ملاحظة: قد تحتاج تصنيع العفن الرئيسي (المقاطع 3.2 و 3.3) إلى تكرار لتحقيق خطأ محاذاة أقل. تظهر الممارسة المتكررة باستخدام MMAA لتعزيز قدرة المستخدم على إنشاء قالب رئيسي متوافق بشكل جيد. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن الحصول على الصور عن طريق المسح المجهري الإلكتروني (SEM) (الشكل 7) لتأكيد خطأ المحاذاة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
من خلال التحسين واستخدام MMAA (الشكل 1) ، تم تلفيق قوالب رئيسية متعددة الطبقات مع الحد الأدنى من خطأ المحاذاة. تم تصنيع MMAA النهائي باستخدام تصنيع خيوط تنصهر (FFF) عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد(الشكل 2). تمنح عملية FFF دقة متزايدة لأبعاد الجهاز المطلوبة. يتكون MMAA من قطعتين رئيسيتين(الشكل 3):القطعة الأساسية والساكن المخصص. تتكون القطعة الأساسية من وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، والتي تعمل كحامل رقاقة. تسمح وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية بالمحاذاة المناسبة للماسك الضوئي ورقائق السيليكون المغلفة. القطعة الثانية هي السحاب المخصص الذي يصلح حامل الرقاقة إلى منصة المجهر مع المغناطيس. يتم تصوير الإعداد بأكمله المستخدم للمساعدة في محاذاة الطبقات العلوية والسفلية من القالب الرئيسي ذو الطبقة المزدوجة في الشكل 4. تم استخدام هذا النظام والبروتوكول الموصوف لمحاذاة العلامات على قناع ضوئي مع علامات على الطبقة الأولية من القالب الرئيسي(الشكل 6). ثم تم تصنيع القالب الرئيسي SU-8 ذو الطبقة المزدوجة لجهاز ميكروفلويدي مع نمط عظم الرنجة وتبين أن لديه مسافة فجوة <5 ميكرومتر بين الطبقتين(الشكل 5).
ثم استخدم القالب الرئيسي من طبقتين(الشكل 7A)لتصنيع رقائق PDMS التي يمكن رؤيتها في الشكل 7D. تظهر صور SEM التي تظهر في الشكل 7B،C أن الجهاز microfluidic مع نمط الرنجة يحتوي على حواف واضحة وجدران مستقيمة القناة وطبقات متوائمة بشكل جيد ، وهي ضرورية لوظائف الجهاز المناسبة. بالإضافة إلى ذلك ، تم إنشاء قالب رئيسي من أربع طبقات مع ميزات دائرية بسيطة(الشكل 8A)باستخدام MMAA لإظهار المحاذاة الناجحة لقالب رئيسي متعدد الطبقات. بيانات Profilometer (الشكل 8B) يؤكد الطبقات الأربعة المتميزة من القالب الرئيسي. تؤكد القياسات المأخوذة من خطأ المحاذاة الذي تم الحصول عليه لعدة معالم من أربع طبقات ذات هندسة مختلفة أن خطأ المحاذاة لا يزيد عن 5٪ من المسافة المصممة بين الطبقات. من صور الجهاز النهائي ، من الواضح أن الخطأ البشري أثناء تثبيت القناع على MMAA قبل التعرض للأشعة فوق البنفسجية للطبقة الثانية زاد من مسافة الفجوة بين طبقتي الجهاز وتسبب في اختلال. ومع ذلك، عندما يصبح المستخدم أكثر دراية بالإجراء، يمكن إنتاج الجهاز النهائي مع خطأ محاذاة ناتج قدره 10 ميكرومتر <، كما أكدت النتائج المصورة.
الشكل 1: تصميم MMAA 3D للطباعة لتصنيع الأجهزة المجهرية متعدد الطبقات. يصور الرسم التوضيحي قطعتين من MMAA: وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية وربط المجهر المخصص. وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية المنازل، في ترتيب تنازلي، لوحة أعلى الزجاج، الذي يحمل قناع ضوئي ضد رقاقة؛ قناع ضوئي؛ والحواف المغلفة بطبقة الرواية الضوئية. ثم يتم إرفاق وحدة التعرض للأشعة فوق البنفسجية مغناطيسيا إلى مثبت المجهر المخصص ، الذي يتم إرفاقه بمرحلة المجهر ، ثم يسمح بالمحاذاة المناسبة للسمة الضوئية والحواف. الاختصارات: MMAA = محول محاذاة قناع المجهر؛ الأشعة فوق البنفسجية = الأشعة فوق البنفسجية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: التخصيص والطباعة ثلاثية الأبعاد من MMAA وما بعد المعالجة لجهاز الشفاء الكامل. (أ) صورة لعلبة من نظام انبعاث الأشعة فوق البنفسجية المتاحة التي تبين القياسات اللازمة لتخصيص MMAA. يجب على المستخدم قياس قطر (د) من الحافة الدائرية الداخلية، والارتفاع الداخلي (ح)، والعرض الإجمالي (ث)، وطول (ل) من الدرج. (ب) بعد التخصيص، يجب أن يجلس مجلس العمل المتحد بعد ذلك مسطحة داخل الدرج كما هو موضح هنا. (ج) توضيح لعملية الطباعة ثلاثية الأبعاد FFF. تنتج عملية FFF هياكل عن طريق طبقات خيوط 3D المطبوعة. يتم إيداع خيوط في طبقات رقيقة، واحدة على رأس القادم، حتى يتم إنتاج قطعة 3D المطبوعة النهائي. (د)علاج MMAA النهائي المطبوع ثلاثي الأبعاد في غرفة المعالجة للأشعة فوق البنفسجية كجزء من عملية ما بعد الطباعة. الاختصارات: MMAA = محول محاذاة قناع المجهر؛ الأشعة فوق البنفسجية = الأشعة فوق البنفسجية؛ FFF = صهر خيوط تلفيق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: 3D-المطبوعة قطعة من MMAA. (أ) تم توصيل قطعتين بواسطة المغناطيس (المشار إليها بواسطة مستطيل أحمر متقطع). (ب)MMAA تحتوي على رقاقة السيليكون المغلفة مع طبقة رقيقة من الكواتر الضوئي (SU-8). (ج) MMAA مع قناع ضوئي على رقاقة السيليكون المغلفة استعدادا لعملية المحاذاة. اختصار: MMAA = مجهر قناع محول المحاذاة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: إجراء لاستخدام MMAA 3D المطبوعة لمحاذاة قناع ضوئي. (أ) بعد أن تم تحميل MMAA مع رقاقة السيليكون المغلفة بمرساة ضوئية ، يتم وضع MMAA بعد ذلك على مرحلة نظام المجهر المستقيم وثابتة على المسرح باستخدام مثبت المجهر المغناطيسي كما هو موضح في الصورة. (ب)ثم يتم إدراج قناع ضوئي في MMAA وتعلق على منصة تعديل الاتجاه z، والمعروف باسم رفع مقص، من خلال أحد جانبي MMAA كما هو مبين في الصورة. (ج)ثم يتم ضبط ارتفاع منصة رفع مقص حتى قناع ضوئي تقع فوق رقاقة السيليكون المغلفة كما هو مبين في الصورة. من هذه النقطة فصاعدا، لا يتم نقل قناع ضوئي حتى يتم إكمال المحاذاة. (د)لتحقيق محاذاة مثالية، يتم ضبط موقف MMAA وبالتالي، من رقاقة السيليكون، على مرحلة المجهر في الاتجاهات س ص باستخدام المقابض المجهر كما هو مبين في الصورة. يتم ضبط وضعي x و y من رقاقة السيليكون بدقة ، في حين يلاحظ المستخدم من خلال عدسة المجهر حتى يتم فرض علامات المحاذاة على رقاقة السيليكون و قناع ضوئي. وبمجرد تحقيق ذلك، يمكن بعد ذلك تأمين قناع ضوئي إلى الرقاقة. (ه) بعد تحقيق المحاذاة، يتم فصل MMAA بعناية من مرحلة المجهر ووضعها في صينية نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية. يمكن إغلاق الدرج بحيث يمكن أن يتعرض رقاقة للأشعة فوق البنفسجية لعلاج الضوئي. اختصار: MMAA = مجهر قناع محول المحاذاة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: بنية قناة طبقة مزدوجة تم إنشاؤها باستخدام MMAA. تم تصميم القالب الرئيسي ذو الطبقة المزدوجة لإنتاج أجهزة microfluidic لعظم الرنجة مع أربع قنوات متوازية. (أ) صورة لتصميم قناع ضوئي من الطبقة الأولى ، والذي يتضمن المخطط التفصيلي للقنوات ويولد أرضية مجوفة من الجهاز microfluidic. (ب) صورة لتصميم قناع ضوئي من الطبقة الثانية، والذي يتضمن نمط عظم الرنجة داخل القنوات التي تبطن سقف الجهاز microfluidic. (ج) بنية مدخل القالب الرئيسي مزدوج الطبقة المشار إليها بواسطة مستطيلات متقطعة حمراء في (A) و (B). تظهر الصورة الحد الأدنى من مسافة الفجوة بين الطبقتين. (D) مقطع من قالب رئيسي مزدوج الطبقة يظهر منحنى في القناة المشار إليها بواسطة مستطيلات خضراء متقطعة في (A) و (B). مسافة الفجوة بين السهمين هي 5 ميكرومتر. أشرطة المقياس = 100 ميكرومتر. اختصار: MMAA = مجهر قناع محول المحاذاة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: نتائج التصنيع الدقيق مع MMAA. (A) و (B) تظهر محاذاة علامات على قناع ضوئي. أشرطة المقياس = 200 ميكرومتر (C) و (D) هي الصور المقابلة للعلامات على الرقاقة بعد التعرض. أشرطة المقياس = 100 ميكرومتر. اختصار: MMAA = مجهر قناع محول المحاذاة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: القالب الرئيسي المعدة باستخدام MMAA والجهاز PDMS الناتجة مصنوعة من القالب الرئيسي. (A) قالب رئيسي مزدوج الطبقة من جهاز microfluidic الرنجة أعدت باستخدام MMAA لتحقيق محاذاة الطبقات. (B) و (C) هي صور SEM لجهاز الرنجة في جداول مختلفة مع الأسهم الحمراء التي تشير إلى الطبقة السفلى. (D) PDMS microfluidic الجهاز مع نمط الرنجة المحرز باستخدام طبقة مزدوجة العفن الرئيسي في (أ). الاختصارات: MMAA = محول محاذاة قناع المجهر؛ PDMS = بولي (ثنائي ميثيلسيلوكسينا); SEM = المسح المجهري الإلكتروني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: صورة وبيانات profilometer من قالب رئيسي من أربع طبقات تم إنشاؤه باستخدام MMAA. (أ) صورة لقالب رئيسي من أربع طبقات تم إنشاؤه باستخدام MMAA يظهر المحاذاة الناجحة للطبقات. تم اختيار ميزات دائرية بسيطة في الحجم التنازلي لإظهار قدرة المحاذاة لMMAA. شريط المقياس = 1,250 ميكرومتر (B) بيانات مقياس التنميط لنفس القالب الرئيسي الدائري من أربع طبقات مما يؤكد وجود الطبقات الأربع المتميزة. الاختصارات: MMAA = محول محاذاة قناع المجهر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
مواد سوبلمانتال. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يحدد البروتوكول المذكور أعلاه الإجراء الخاص بطباعة 3D ل MMAA واستخدام النظام لإنشاء قالب رئيسي دقيق ومتعدد الطبقات وميكروفلويديك للجهاز. على الرغم من أن الجهاز سهل الاستخدام ، إلا أن هناك خطوات حاسمة داخل البروتوكول تتطلب الممارسة والرعاية لضمان المحاذاة المناسبة لطبقات العفن الرئيسية. الخطوة الحاسمة الأولى هي تصميم MMAA. من الضروري عند تصميم MMAA لتحديد القياسات الدقيقة للجهاز التي من شأنها أن تسمح لتناسب السليم داخل نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية. يمكن أن يسبب اختلال الجهاز التعرض للضوء فوق البنفسجي غير المستوي ، والذي يمكن أن يخلق تشوهات في ميزات العفن الرئيسي. الخطوة الحاسمة الثانية هي توخي الحذر عند محاذاة الطبقتين الأولى والثانية من القالب الرئيسي عند استخدام MMAA. من الضروري بعد محاذاة قناع ضوئي من الطبقة الثانية مع علامات محاذاة الطبقة الأولى أن المستخدم يأخذ عناية كبيرة عند تحديد قناع ضوئي إلى رقاقة وMMAA. تعني الميزات بحجم ميكرون أن أي اختلال صغير بسبب حركة قناع ضوئي أثناء التثبيت يمكن أن يخلق أخطاء محاذاة يمكن أن تجعل جهاز PDMS النهائي غير قابل للاستخدام. ولذلك، تتطلب هذه الخطوة الدقة التي يمكن تطويرها باستخدام التدريب العملي MMAA. الخطوة الحاسمة الأخيرة هي ضمان عدم وجود فجوة بين قناع الصورة والحواف المغلفة لضمان التعرض للأشعة فوق البنفسجية حتى. هذه التقنية في استخدام MMAA لإنشاء قوالب رئيسية متعددة الطبقات محدودة بالاهتمام بالتفاصيل ورعاية المستخدم عند اتباع البروتوكول المحدد حيث يجب اتباع الخطوات الهامة أعلاه لضمان طبقات متوائمة بشكل جيد.
أجهزة microfluidic متعدد الطبقات عادة ما يكون من الصعب إنتاج مع خطأ يذكر ما لم تتوفر معدات المحاذاة التقليدية. هذه المعدات مكلفة وبسبب حساسيتها، تتطلب تدريبا خاصا وعادة ما تكون بيئة غرفة نظيفة غير متوفرة دائما للمختبرات الصغيرة. وبالإضافة إلى ذلك، نشرت سابقا مخصصة الصنع قناع aligners تتطلب عادة شراء وتجميع العديد من القطع المختلفة، والتي يمكن أن تجعل لا يزال منصات مكلفة لإنتاج ويصعب استخدام12،13،14. أهمية MMAA هو أنه بديل سهل الصنع وفعال من حيث التكلفة للمعدات القياسية المستخدمة لتصنيع الجهاز microfluidic متعدد الطبقات. بالإضافة إلى ذلك، لا يتطلب MMAA أي تدريب خاص لاستخدامه، حيث أن تطبيقه بسيط إلى حد ما ويستخدم معدات مختبرية قياسية موجودة بالفعل في المختبرات التي تنتج وتستخدم بانتظام أجهزة ميكروفلويد. وهذا يسمح للمختبرات الصغيرة والمحدودة الموارد بإنتاج أجهزة ميكروفلويدية متعددة الطبقات ذات وظائف محسنة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
ويود المؤلفون أن يعترفوا بمركز التجارب الجامعية التحويلية من جامعة تكساس للتكنولوجيا لتوفيره التمويل لهذا المشروع. كما يود المؤلفون الاعتراف بدعم قسم الهندسة الكيميائية في جامعة تكساس للتكنولوجيا.
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).
