Summary
Dette projekt gør det muligt for små laboratorier at udvikle en brugervenlig platform til fremstilling af præcise mikrofluidiske multilagsenheder. Platformen består af en tredimensionelt trykt mikroskopmaskejusteringsadapter, hvorved der blev opnået mikrofluidiske enheder med justeringsfejl på < 10 μm.
Abstract
Dette projekt har til formål at udvikle en brugervenlig og omkostningseffektiv platform til fremstilling af præcise mikrofluidiske enheder med flerelag, som typisk kun kan opnås ved hjælp af dyrt udstyr i et rent rum. Den vigtigste del af platformen er en tredimensionel (3D) trykt mikroskop maske justering adapter (MMAA) kompatibel med regelmæssige optiske mikroskoper og ultraviolet (UV) lyseksponering systemer. Den overordnede proces med at oprette enheden er blevet stærkt forenklet på grund af det arbejde, der er gjort for at optimere enhedsdesignet. Processen indebærer at finde de rette dimensioner for det udstyr, der er tilgængeligt i laboratoriet, og 3D-printe MMAA med de optimerede specifikationer. Eksperimentelle resultater viser, at den optimerede MMAA designet og fremstillet af 3D-udskrivning fungerer godt med et fælles mikroskop og lyseksponeringssystem. Ved hjælp af en masterform, der er udarbejdet af den 3D-printede MMAA, indeholder de resulterende mikrofluidiske enheder med flerlagsstrukturer justeringsfejl på < 10 μm, hvilket er tilstrækkeligt til almindelige mikrochips. Selvom menneskelige fejl gennem transport af enheden til UV-lyseksponeringssystemet kan forårsage større fabrikationsfejl, er de minimale fejl, der opnås i denne undersøgelse, opnåelige med praksis og omhu. Desuden kan MMAA tilpasses til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved at foretage ændringer i modelleringsfilen i 3D-printsystemet. Dette projekt giver mindre laboratorier et nyttigt forskningsværktøj, da det kun kræver brug af udstyr, der typisk allerede er tilgængeligt for laboratorier, der producerer og bruger mikrofluidiske enheder. Følgende detaljerede protokol skitserer design- og 3D-udskrivningsprocessen for MMAA. Desuden er trinene til anskaffelse af en multilayer masterform ved hjælp af MMAA og fremstilling af poly(dimethylsiloxan) (PDMS) mikrofluidic chips også beskrevet heri.
Introduction
Et veludviklet og lovende område inden for ingeniørforskning er mikrofabrikation på grund af den enorme udvidelse af applikationer, der anvender mikrofluidiske platforme. Mikrofabrikation er en proces, hvor strukturer produceres med μm- eller mindre funktioner ved hjælp af forskellige kemiske forbindelser. Som mikrofluidisk forskning har udviklet sig i løbet af de sidste 30 år, er blød litografi blevet den mest populære mikrofabrikationsteknik til fremstilling af mikrochips fremstillet af poly(dimethylsiloxan) (PDMS) eller lignende stoffer. Disse mikrochips er blevet udbredt til miniaturisering af fælles laboratoriepraksis1,2,3,4 og er blevet kraftfulde forskningsværktøjer for ingeniører til at efterligne reaktionsprocesser 5,6,7, undersøgelsesreaktionsmekanismer og efterligne organer, der findes i menneskekroppen in vitro (f.eks. orgel-på-en-chip)8,9,10. Men efterhånden som kompleksiteten af applikationen øges, er det typisk, at et mere komplekst mikrofluidisk enhedsdesign giver mulighed for bedre replikation af det virkelige system, det er beregnet til at efterligne.
Den grundlæggende procedure for blød litografi omfatter belægning af et substrat med et fotoresiststof og anbringelse af en fotomaske over det belagte substrat, før substratet udsættes for UV-lys11. Fotomasken har gennemsigtige områder, der efterligner det ønskede mønster af de mikrofluidiske enhedskanaler. Når det belagte substrat udsættes for UV-lys, tillader de gennemsigtige områder UV-lyset at trænge gennem fotomasken, hvilket får fotoresisten til at blive krydslinket. Efter eksponeringstrinnet vaskes den ikke-krydslinkede fotoresist væk ved hjælp af en udvikler, hvilket efterlader solide strukturer med det tilsigtede mønster. Efterhånden som kompleksiteten af de mikrofluidiske enheder bliver større, kræver de konstruktion i flere lag med ekstremt præcise dimensioner. Processen med multilayer mikrofabrikation er meget vanskeligere i forhold til enkelt lag mikrofabrikation.
Multilayer mikrofabrikation kræver præcis justering af de første lagfunktioner med designene på den anden maske. Normalt udføres denne proces ved hjælp af en kommerciel maske aligner, som er dyr og kræver træning for at betjene maskinen. Således er processen med multilayer mikrofabrikation typisk uopnåelig for mindre laboratorier, der mangler midler eller tid til sådanne bestræbelser. Mens flere andre specialbyggede maske aligners er blevet udviklet, kræver disse systemer ofte køb og samling af mange forskellige dele og kan stadig være ret komplekse12,13,14. Dette er ikke kun dyrt for mindre laboratorier, men kræver også tid og uddannelse til at bygge, forstå og bruge systemet. Masken aligner detaljeret i dette papir har til formål at afhjælpe disse spørgsmål, da der ikke er behov for køb af ekstra udstyr, der kun kræver udstyr, der typisk allerede er til stede i laboratorier, der producerer og bruger mikrofluidiske enheder. Derudover fremstilles maske aligner af 3D-udskrivning, som med den nylige udvikling af 3D-printteknologi er blevet let tilgængelig for de fleste laboratorier og universiteter til en overkommelig pris.
Protokollen, der er beskrevet i dette dokument, har til formål at skabe en omkostningseffektiv og nem betjening alternativ maske aligner. Masken aligner detaljeret heri kan gøre multilayer mikrofabrikation muligt for forskningslaboratorier uden konventionelle fabrikationsfaciliteter. Ved hjælp af mikroskopmaskejusteringsadapteren (MMAA) kan funktionelle mikrochips med komplekse funktioner opnås ved hjælp af en almindelig UV-lyskilde, optisk mikroskop og almindeligt laboratorieudstyr. Resultaterne viser, at MMAA fungerer godt med et eksempel system ved hjælp af en opretstående mikroskop og en UV-lys-eksponering boks. Mmaa produceret ved hjælp af 3D-udskrivningsprocessen blev brugt til at erhverve en bilayer master skimmel af en sildeben mikrofluidic enhed med minimal justering fejl. Ved hjælp af masterformen fremstillet med en 3D-printet MMAA blev mikrofluidiske enheder fremstillet med flerlagsstrukturer, der indeholder justeringsfejl på < 10 μm. Justeringsfejlen på < 10 μm er minimal nok til ikke at hindre anvendelsen af den mikrofluidiske enhed.
Desuden blev den vellykkede tilpasning af en firelags masterform produceret ved hjælp af MMAA bekræftet, og justeringsfejl blev bestemt til at være < 10 μm. Funktionaliteten af den mikrofluidiske enhed og minimale justeringsfejl validerer den vellykkede anvendelse af MMAA i skabelsen af mikrofluidiske enheder med flerelag. MMAA kan tilpasses til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved at foretage mindre ændringer af filen i 3D-printeren. Følgende protokol skitserer de trin, der er nødvendige for at finjustere MMAA,så det passer til det udstyr, der er tilgængeligt i hvert laboratorium, og 3D-print MMAA med de krævede specifikationer. Derudover beskriver protokollen, hvordan man udvikler en flerlags masterform ved hjælp af systemet og efterfølgende producerer PDMS mikrofluidiske enheder ved hjælp af masterformen. Generation af master skimmel og mikrofluidic chips derefter giver brugeren mulighed for at teste effektiviteten af systemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Udformning af MMAA
- Dimensioner af bakken på det tilgængelige UV-lysemissionssystem opnås som den øvre grænse for waferholderens dimensioner (eller UV-eksponeringsenheden) vist i figur 1. Som vist i figur 2Amåler diameteren (d) af den indre cirkulære rand, den indvendige højde (h) af UV-lysemissionssystemets bakke, bakkens samlede bredde (w) og bakkens længde (l).
BEMÆRK: Som et eksempel havde det tilgængelige UV-lyseksponeringssystem indvendige bakkedimensioner på 5 tommer (") x 5" x 0,25" med en 4" cirkulær udskæring. MMAA's dimensioner er derefter konstrueret til ikke at være større end de indvendige bakkedimensioner, så de passer korrekt og sidder fladt i systemets bakke som vist i figur 2B. Se figur 3 for de 3D-printede stykker af MMAA: fotoresistbelagt siliciumskiver og en fastgørelsesanordning til at fastgøre opsætningen til mikroskopet. - Mål længden mellem skruerne på det tilgængelige opretstående mikroskop, der holder glideholderen på plads. Derudover måle bredden af skruerne. Disse dimensioner anvendes til at tilpasse magnetholderen (Figur 1) så den passer til det tilgængelige mikroskop, så mmaa nemt og præcist kan fastgøres til mikroskopet (Figur 4A).
- Ved hjælp af et tilgængeligt computerdesignprogram skal du tilpasse waferholderen og magnetisk mikroskopfastgørelse, så den passer inden for de målte dimensioner. Waferholderens højde, bredde og længde skal ikke være større end højden (h), bredden (w) og længden (l) af UV-lysemissionssystemets bakke. Derudover skal du medtage den cirkulære udskæring i bunden af waferholderen med samme diameter (d) som UV-lysemissionssystemets bakke. Generer STL- eller CAD-filer til de to dele af MMAA, der skal bruges til 3D-udskrivning af enheden (se Supplerende materiale).
2.3D Udskrivning af MMAA
- Overfør de genererede STL- eller CAD-filer til den tilgængelige 3D-udskrivningssoftware. 3D-Print de to dele af MMAA ved at følge den relevante procedure for den anvendte 3D-proces og printer. Udfyld stykkerne ved at følge eventuelle nødvendige trin efter udskrivning (f.eks. fjernelse af støttemateriale, fjernelse af uhærdet harpiks, yderligere vaske- eller hærdningstrin). Alternativt kan du bruge en tilgængelig 3D-printfacilitet til at få de designede stykker trykt og afsluttet andetsteds.
- Sørg for, at waferholderen passer godt og sidder fladt inde i bakken på det tilgængelige UV-lyseksponeringssystem(Figur 2B). Derudover skal du sikre dig, at mikroskopbefæstelsen er fastgjort til mikroskopstadiet og let kan flyttes ved hjælp af knapper, der styrer x- og y-positionerne i mikroskopstadiet (Figur 4A).
- Når stykkerne er færdiggjort, indsættes og fastgøres magneterne i waferholderen og mikroskopbefæstelsen (Figur 3A) ved hjælp af superlim eller ethvert andet fastgørelsesstof. Sørg for, at limen tørrer, inden systemet testes.
BEMÆRK: Hvis det ønskes, kan en protype stykke først udskrives ved hjælp af en Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer for at spare ressourcer og penge15. Denne protype kan derefter vurderes for nøjagtig tilpasning til det tilgængelige udstyr, og designet kan derefter ændres, hvis det er nødvendigt. Den endelige enhed kan derefter udskrives ved hjælp af en mere præcis proces (f.eks. stereolitografi) for bedre præcision. Den endelige enhed kan også udskrives med en gennemskinnelig finish for optimal brug under mikroskopet.
3. Eksperimentel testning af MMAA
- Design og udskrivning af mikrofluidiske enheds fotomasker med justeringsmarkører
- Brug et computerdesignprogram til at designe fotomasker til den ønskede bilayer mikrofluidic enhed.
- Medtag yderligere strukturer på siden af de mikrofluidiske enhedskanalstrukturer, der fungerer som justeringsmarkører (tættere på kanten af fotomasken/masterformen) som vist i figur 5A, B. Sørg for, at der er én justeringsmarkør på hver side af den mikrofluidiske anordning (i alt mindst fire). Derudover skal du sikre dig, at fotomasken indeholder en lige kant, der kan justere perfekt med den lige kant af siliciumskiveret.
BEMÆRK: Den højere forvikling af justeringsmarkørstrukturen giver mulighed for større justeringsnøjagtighed af de ekstra lag. Der skal i det mindste anvendes en simpel tværstruktur med målinger på 1 mm x 1 mm (figur 6A). Et eksempel på justeringsmærkerne kan ses i hjørnerne og den nederste midterste kant af Figur 5A, B, som viser de første og andet lag fotomasker, der bruges til at generere en dobbeltlags masterform. - Udskriv fotomaskerne enten gennem en kommerciel leverandør eller via andre tilgængelige faciliteter
- Oprettelse af bilayer master skimmel ved hjælp af MMAA (fotolitografi)
- Brug standard fotolitografiteknikker og fotoresistproducentens instruktioner til at oprette det første lag af masterformen ved hjælp af det første lag fotomaske16. Brug en 4" siliciumskiver med den relevante fotoresist (dvs. SU-8) til at skabe den ønskede lagtykkelse. Sørg for, at den første lagtykkelse er større end de efterfølgende lag, så justeringsmærkerne nemt kan identificeres.
- Brug en lyse markørpen (f.eks. guld) til at farvelægge det første lags justeringsmarkører på alle fire sider.
- Brug fotoresistproducentens instruktioner, start det andet lag af masterformen ved at spin-coating fotoresisten på waferen og udføre den bløde bage16. Den overtrukne wafer indsættes i waferholderen på MMAA (Figur 3B) og fastgør den overtrukne wafer til MMAA ved hjælp af tape.
- Sæt waferholderen fast på det tilgængelige opretstående mikroskop ved hjælp af den magnetiske mikroskopbefæstelse (Figur 4A). Flyt placeringen af MMAA ved hjælp af x- og y-direction knapperne på mikroskopstadiet, indtil en af de farvede justeringsmarkører på waferen er i syne gennem mikroskoplinsen.
- Det andet lags fotomaske indsættes i waferholderen oven på den belagte wafer (Figur 3C). Sørg for, at det første lags farvede justeringsmarkører delvist kan ses gennem justeringsmærkerne på fotomasken.
- Vedhæft fotomasken til en sakselift (også kendt som et støttestik) gennem en af sideudskæringerne (Figur 4B) med tape. Brug sakseliften til at justere fotomaskens z-retningsposition, indtil den ligger lige over den belagte wafer (Figur 3C).
BEMÆRK: Sakseliften giver mulighed for finjustering af fotomaskens z-position, da sakseliften kan bruges til at flytte placeringen af den vedhæftede fotomaske i z-retning. - Mens du holder fotomasken stille, skal du kigge gennem mikroskopobjektivet og identificere det første lags farvede justeringsmarkører under fotomaskens justeringsmarkører. Brug x- og y-direction-knapperne i mikroskopstadiet til at flytte MMAA's position (Figur 4D). Juster MMAA's position, indtil justeringsmarkøren på fotomasken er overlejret med den farvede justeringsmarkør på det første lag (Figur 6A, B) ved at observere placeringen af justeringsmarkørerne gennem mikroskopobjektivet.
- Påfør forsigtigt en lille kraft på fotomasken og brug tape til at sikre fotomasken på plads oven på den belagte wafer. Tag fotomasken af sakseliften. Sørg for, at alle fire justeringsmærker på fotomasken er i overensstemmelse med de fire justeringsmærker på det første lag.
- Når justeringen er opnået, skal du forsigtigt løsne waferholderen fra mikroskopstadiet. Sæt glaspladen oven på waferen og fotomasken for at mindske afstanden mellem de to stykker (Figur 1). Placer hele waferholderen i det tilgængelige UV-lyseksponeringssystem som vist i figur 4E. Det andet lag udsættes for den relevante tid og lysintensitet som beskrevet i fotoresistproducentens vejledning16.
- Tag waferholderen ud af UV-lyseksponeringssystemet. Fjern den belagte wafer fra waferholderen, og tag fotomasken af waferen. Det andet lag (f.eks. efterbagning, udvikling og skylning og tør) er afsluttet i henhold til fotoresistproducentens anvisninger16.
BEMÆRK: Den nøjagtige spin-coating, blød bagning, udsætter, post-bagning, og udvikle betingelser (tid, temperatur) vil variere baseret på fotoresist, der anvendes, og den ønskede lagtykkelse. De faktiske forhold og den nøjagtige fotolitografiprocedure bør baseres på fotoresistproducentens anvisninger.
- Forberedelse af en mikrofluidisk enhed ved hjælp af masterformen (blød litografi)
- Hent masterformen og fastgør den midt i en 150 mm x 15 mm plast petriskål med tape.
- Forbered ~15-20 g PDMS baseret på producentens anvisninger. Læg PDMS i et vakuumkammer, eller lad det hvile, indtil det er fri for bobler. Hæld PDMS i Petri parabol indeholder master skimmel.
- Lad Petri parabol med master skimmel hvile på bordpladen, indtil PDMS er fri for bobler. Petriskålen anbringes i en ovn ved 65 °C, indtil PDMS er helt hærdet (mindst 3 timer).
- Klip PDMS ud for at afsløre mikrokanalstrukturerne. Skær PDMS omkring mikrokanalstrukturerne i separate mikrochips og opret indløbs- og udløbshullerne til den mikrofluidiske enhed. Brug tape til forsigtigt at fjerne eventuelle små partikler, der kan ligge på PDMS-overfladen.
- Fuldfør mikrochipfremstillingen ved at binde PDMS-chippen til PDMS eller et mikroskopdias ved plasmabehandling af PDMS-chippen og det ekstra substrat.
- Bestemmelse af justeringsfejlen
- Hent masterformen, og brug det opretstående mikroskop til at bestemme mellemrumsafstanden (justeringsfejlen) mellem det første lag og det andet lag. Gør dette ved blot at måle afstanden, hvormed det andet lag forskydes og justeres forkert fra det første lag på mikrokanalstrukturerne (se figur 5D for et eksempel på en målt mellemrumsafstand).
- Brug det opretstående mikroskop til at afgøre, om PDMS-chippen indeholder kanalvægge, der er lige med klare enhedskanter. Derudover skal du kontrollere PDMS-chippen for eventuelle fejl, der kan hindre enhedens funktionalitet.
BEMÆRK: Det kan være nødvendigt at gentage fremstillingen af masterformen (afsnit 3.2 og 3.3) for at opnå en lavere justeringsfejl. Gentagen praksis ved hjælp af MMAA er vist sig at forbedre brugerens evne til at skabe en veltilpasset master skimmel. Derudover kan billeder fås ved at scanne elektronmikroskopi (SEM) (Figur 7) for at bekræfte justeringsfejlen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Gennem optimering og brug af MMAA (Figur 1), multilayer master forme med minimal justering fejl blev fremstillet. Den endelige MMAA blev fremstillet ved hjælp af den sammensmeltede glødetrådsfremstillingsproces (FFF) 3D-printningsproces (Figur 2). FFF-processen giver øget nøjagtighed for de ønskede enhedsdimensioner. MMAA består af to hovedstykker (figur 3): grundstykket og den brugerdefinerede befæstelse. Grundstykket består af UV-eksponeringsenheden, der fungerer som waferholder. UV-eksponeringsenheden giver mulighed for korrekt justering af fotomasken og den belagte siliciumskiver. Det andet stykke er den brugerdefinerede befæstelse, der fastgør waferholderen til mikroskopets platform med magneter. Hele opsætningen, der bruges til at hjælpe med justeringen af de øverste og nederste lag af dobbeltlags masterformen, er afbildet i figur 4. Dette system og den beskrevne protokol blev brugt til justering af markører på fotomasken med markører på det oprindelige lag af masterformen (Figur 6). Dobbeltlags-SU-8-masterformen til en mikrofluidisk anordning med sildebensmønster blev derefter fremstillet og viste sig at have en mellemrumsafstand på <5 μm mellem de to lag (Figur 5).
De to-lags master skimmel (Figur 7A) blev derefter brugt til at fremstille PDMS mikrochips, der kan ses i figur 7D. SEM-billederne set i Figur 7B,C viser, at den mikrofluidiske enhed med sildebensmønsteret indeholder klare kanter, lige kanalvægge og veljusterede lag, som er afgørende for korrekt enhedsfunktionalitet. Derudover blev der oprettet en fire-lags masterform med enkle cirkulære funktioner (Figur 8A) ved hjælp af MMAA for at vise vellykket justering af en flerlags masterform. Profilometerdata (Figur 8B) bekræfter de fire forskellige lag af masterformen. Målinger foretaget af justeringsfejlen for flere firelagsfunktioner med forskellig geometri bekræfter, at justeringsfejlen ikke er større end 5% af den designede afstand mellem lagene. Fra billederne af den endelige enhed er det klart, at menneskelige fejl under fiksering af masken på MMAA før UV-eksponeringen af det andet lag øgede mellemrumsafstanden mellem de to enhedslag og forårsagede forskydning. Men efterhånden som brugeren bliver mere fortrolig med proceduren, kan den endelige enhed fremstilles med en resulterende justeringsfejl på < 10 μm, som bekræftet af de afbildede resultater.
Figur 1: Design af en MMAA, der kan udskrives med 3D, til mikrofabrikation med flerelag. Illustrationen viser de to stykker af MMAA: UV-eksponering enhed og den brugerdefinerede mikroskop befæstelse. UV-eksponeringsenheden huser i faldende rækkefølge glaspladen, som holder fotomasken mod waferen; fotomasken og den fotoresistbelagte wafer. UV-eksponeringsenheden fastgøres derefter magnetisk til den brugerdefinerede mikroskopbefæstelse, som er fastgjort til mikroskopstadiet, og giver derefter mulighed for korrekt justering af fotomasken og waferen. Forkortelser: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter; UV = ultraviolet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Tilpasning og 3D-udskrivning af en MMAA og efterbehandling for en fuldt hærdet enhed. Brugeren skal måle diameteren (d) af den indre cirkulære rand, den indre højde (h), den samlede bredde (w) og bakkens længde (l). (B) Efter tilpasningen skal MMAA derefter sidde fladt inde i bakken som vist her. (C) Illustration af FFF 3D-udskrivningsprocessen. FFF-processen producerer strukturer ved at lægge den 3D-printede glødetråd i lag. Glødetråden deponeres i tynde lag, den ene oven på den næste, indtil det endelige 3D-printede stykke er produceret. d) Hærdning af den endelige 3D-printede MMAA i UV-hærdekammeret som led i eftertrykprocessen. Forkortelser: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter; UV = ultraviolet; FFF = sammensmeltet fremstilling af glødetråd. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: 3D-printede stykker af en MMAA. (A) To stykker var forbundet med magneter (angivet med rødt stiplet rektangel). (B) MMAA indeholdende siliciumskiver belagt med et tyndt lag fotoresist (SU-8). c) MMAA med fotomaske over den overtrukne siliciumskiver som forberedelse til justeringsprocessen. Forkortelse: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Fremgangsmåde for anvendelse af en 3D-printet MMAA til justering af fotomasken. (B) Fotomasken indsættes derefter i MMAA og fastgøres til z-retningsjusteringsplatformen, også kendt som en sakselift, gennem en af siderne af MMAA som vist på billedet. (C) Sakseliftens perronhøjde justeres derefter, indtil fotomasken ligger lige over den belagte siliciumskiver som vist på billedet. Fra dette tidspunkt flyttes fotomasken ikke, før justeringen er fuldført. (D) For at opnå perfekt justering justeres MMAA's og dermed siliciumskiflens position på mikroskopstadiet i x- og y-retninger ved hjælp af mikroskopets knapper som vist på billedet. Siliciumskiflens x- og y-positioner er fint justeret, mens brugeren observerer gennem mikroskoplinsen, indtil justeringsmarkørerne på siliciumskiv og fotomasken er overlejret. Når dette er opnået, kan fotomasken derefter fastgøres til waferen. (E) Når justeringen er opnået, løsnes MMAA forsigtigt fra mikroskopstadiet og placeres i bakken på UV-lyseksponeringssystemet. Bakken kan lukkes, så waferen kan udsættes for UV-bestråling for at helbrede fotoresisten. Forkortelse: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Dobbeltlagskanalstruktur oprettet ved hjælp af MMAA. Dobbeltlags masterformen er designet til produktion af sildebens mikrofluidiske enheder med fire parallelle kanaler. (A) Billede af første lag fotomaske design, som omfatter omridset af kanalerne og genererer den hule gulv mikrofluidic enhed. (B) Billede af det andet lag fotomaske design, som inkorporerer sildeben mønster inde i kanalerne, linje taget af mikrofluidic enhed. (C) Indløbsstrukturen i dobbeltlagsmasterformen angivet med røde stiplede rektangler i (A) og (B). Billedet viser minimal mellemrumsafstand mellem de to lag. (D) En del af dobbeltlags masterformen, der viser en bøjning i kanalen angivet med grønne stiplede rektangler i (A) og (B). Mellemrumsafstanden mellem de to pile er 5 μm. Skalastænger = 100 μm. Forkortelse: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Mikrofabrikationsresultaterne med MMAA. (A) og (B) viser justeringen af markørerne på fotomasken. Skalastænger = 200 μm. (C) og (D) er de tilsvarende billeder af markørerne på waferen efter eksponering. Skalastænger = 100 μm. Forkortelse: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Masterformen, der er fremstillet ved hjælp af MMAA og den resulterende PDMS-enhed fremstillet af masterformen. (B) og (C) er SEM-billeder af sildebensanordningen i forskellige skalaer med de røde pile, der peger på det nederste lag. (D) PDMS mikrofluidisk anordning med sildebensmønster fremstillet ved hjælp af dobbeltlags masterformen i (A). Forkortelser: MMAA = mikroskokopmaskejusteringsadapter; PDMS = poly(dimethylsiloxan); SEM = scanning af elektronmikroskopi. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Billed- og profilometerdata for en firelags masterform, der er oprettet ved hjælp af MMAA. (A) Billede af en fire-lags master skimmel skabt ved hjælp af MMAA viser vellykket justering af lagene. Enkle cirkulære funktioner i faldende størrelse blev valgt for at demonstrere MMAA's justeringskapacitet. Skalabjælke = 1.250 μm. (B) Profilometerdata for samme cirkulære firelags masterform, der bekræfter tilstedeværelsen af de fire forskellige lag. Forkortelser: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Smidigt materiale. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ovennævnte protokol skitserer proceduren for 3D-udskrivning af en MMAA og brug af systemet til at skabe en præcis, multilayer, mikrofluidic enhed master skimmel. Selvom enheden er nem at bruge, er der kritiske trin i protokollen, der kræver øvelse og pleje for at sikre korrekt justering af masterformlagene. Det første kritiske skridt er designet af MMAA. Det er vigtigt, når du designer MMAA at bestemme de nøjagtige målinger for enheden, der vil give mulighed for en ordentlig pasform inde i UV-lys eksponeringssystem. En forskydning af enheden kan forårsage ujævn UV-lyseksponering, hvilket kan skabe deformiteter af masterformfunktionerne. Det andet kritiske skridt er at passe på, når du justerer det første og andet lag af masterformen, når du bruger MMAA. Det er bydende nødvendigt efter justering af det andet lag fotomaske med første lag justering markører, at brugeren er meget omhyggelig, når fastsættelse af photomask til wafer og MMAA. Funktionerne i mikronstørrelse betyder, at enhver lille forskydning på grund af fotomaskens bevægelse under fiksering kan skabe justeringsfejl, der kan gøre den endelige PDMS-enhed ubrugelig. Derfor kræver dette trin nøjagtighed, der kan udvikles med praksis ved hjælp af MMAA. Det sidste kritiske skridt er at sikre, at der ikke er mellemrum mellem fotomasken og den belagte wafer for at sikre jævn UV-lyseksponering. Denne teknik i at bruge MMAA til at skabe multilayer master forme er begrænset af den opmærksomhed på detaljer og pleje af brugeren, når du følger den givne protokol som de kritiske trin ovenfor skal følges for at sikre veltilpassede lag.
Mikrofluidiske multilagsenheder er typisk vanskelige at producere med få fejl, medmindre der findes traditionelt justeringsudstyr. Dette udstyr er dyrt og på grund af dets følsomhed, kræver særlig træning og typisk et rent rummiljø, der ikke altid er tilgængeligt for mindre laboratorier. Derudover kræver tidligere offentliggjorte specialbyggede maske aligners typisk køb og samling af mange forskellige stykker, hvilket stadig kan gøre platformene dyre at producere og vanskelige at bruge12,13,14. Betydningen af MMAA er, at det er et let at fremstille og omkostningseffektivt alternativ til standardudstyr, der anvendes til mikrofluidisk enhedsfremstilling med flerelag. Derudover kræver MMAA ingen særlig uddannelse til brug, da dens anvendelse er ret enkel og bruger standardlaboratorieudstyr, der allerede findes i laboratorier, der regelmæssigt producerer og bruger mikrofluidiske enheder. Dette gør det muligt for små og ressourcebegrænsede laboratorier at producere mikrofluidiske enheder med flerelag med forbedret funktionalitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende Center for Transformative Undergraduate Erfaringer fra Texas Tech University for at yde støtte til dette projekt. Forfatterne vil også gerne anerkende støtte fra Chemical Engineering Department på 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).
