Summary
Dit project stelt kleine laboratoria in staat om een eenvoudig te gebruiken platform te ontwikkelen voor de fabricage van nauwkeurige meerlaagse microfluïdische apparaten. Het platform bestaat uit een driedimensionaal geprinte microscoopmaskeruitlijnadapter waarmee meerlaagse microfluïdische apparaten met uitlijningsfouten van <10 μm werden bereikt.
Abstract
Dit project heeft tot doel een gebruiksvriendelijk en kosteneffectief platform te ontwikkelen voor de fabricage van nauwkeurige, meerlaagse microfluïdische apparaten, die meestal alleen kunnen worden bereikt met dure apparatuur in een cleanroomomgeving. Het belangrijkste onderdeel van het platform is een driedimensionaal (3D) geprinte microscoop masker uitlijning adapter (MMAA) compatibel met gewone optische microscopen en ultraviolet (UV) licht belichtingssystemen. Het algehele proces van het maken van het apparaat is enorm vereenvoudigd vanwege het werk dat is gedaan om het apparaatontwerp te optimaliseren. Het proces omvat het vinden van de juiste afmetingen voor de apparatuur die beschikbaar is in het laboratorium en het 3D-printen van de MMAA met de geoptimaliseerde specificaties. Experimentele resultaten tonen aan dat de geoptimaliseerde MMAA ontworpen en vervaardigd door 3D-printen goed presteert met een gemeenschappelijk microscoop- en lichtblootstellingssysteem. Met behulp van een master mold bereid door de 3D-geprinte MMAA, bevatten de resulterende microfluïdische apparaten met meerlagige structuren uitlijningsfouten van < 10 μm, wat voldoende is voor gangbare microchips. Hoewel menselijke fouten door het transport van het apparaat naar het UV-lichtblootstellingssysteem grotere fabricagefouten kunnen veroorzaken, zijn de minimale fouten die in deze studie worden bereikt met oefening en zorg haalbaar. Bovendien kan de MMAA worden aangepast aan elk microscoop- en UV-belichtingssysteem door wijzigingen aan te brengen in het modelleringsbestand in het 3D-printsysteem. Dit project biedt kleinere laboratoria een nuttig onderzoeksinstrument omdat het alleen het gebruik vereist van apparatuur die meestal al beschikbaar is voor laboratoria die microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Het volgende gedetailleerde protocol schetst het ontwerp- en 3D-printproces voor de MMAA. Bovendien worden de stappen voor het verkrijgen van een meerlaagse master mold met behulp van de MMAA en het produceren van poly(dimethylsiloxaan) (PDMS) microfluïdische chips hierin ook beschreven.
Introduction
Een goed ontwikkeld en veelbelovend gebied in technisch onderzoek is microfabrication vanwege de enorme uitgestrektheid van toepassingen met microfluïdische platforms. Microfabrication is een proces waarbij structuren worden geproduceerd met μm- of kleinere kenmerken met behulp van verschillende chemische verbindingen. Naarmate microfluïdisch onderzoek zich in de afgelopen 30 jaar heeft ontwikkeld, is zachte lithografie de meest populaire microfabrication-techniek geworden waarmee microchips kunnen worden gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) of soortgelijke stoffen. Deze microchips zijn op grote schaal gebruikt voor de miniaturisatie van gemeenschappelijke laboratoriumpraktijken1,2,3,4 en zijn krachtige onderzoeksinstrumenten geworden voor ingenieurs om reactieprocessen na te bootsen5,6,7, studiereactiemechanismen en organen na te bootsen die in vitro in het menselijk lichaam zijn gevonden (bijv. orgaan-op-een-chip)8,9,10. Naarmate de complexiteit van de toepassing toeneemt, is het echter typisch dat een complexer microfluïdisch apparaatontwerp een betere replicatie mogelijk maakt van het real-life systeem dat het moet imiteren.
De basisprocedure voor zachte lithografie omvat het coaten van een substraat met een fotoresistische stof en het plaatsen van een fotomasker over het gecoate substraat voordat het substraat wordt onderworpen aan UV-licht11. Het fotomasker heeft transparante gebieden die het gewenste patroon van de microfluïdische apparaatkanalen nabootsen. Bij het onderwerpen van het gecoate substraat aan UV-licht, laten de transparante gebieden het UV-licht door het fotomasker dringen, waardoor de fotoresist wordt gekruist. Na de belichtingsstap wordt de niet-gekruiste fotoresist weggespoeld met behulp van een ontwikkelaar, waardoor solide structuren achterblijven bij het beoogde patroon. Naarmate de complexiteit van de microfluïdische apparaten groter wordt, vereisen ze een meerlaagse constructie met uiterst nauwkeurige afmetingen. Het proces van meerlaagse microfabsoenatie is veel moeilijker in vergelijking met eenlaagse microfabation.
Meerlaagse microfabrication vereist een nauwkeurige uitlijning van de kenmerken van de eerste laag met de ontwerpen op het tweede masker. Normaal gesproken wordt dit proces uitgevoerd met behulp van een commerciële maskeruitlijner, die duur is en training vereist om de machines te bedienen. Het proces van meerlaagse microfabrication is dus meestal onbereikbaar voor kleinere laboratoria die de fondsen of tijd voor dergelijke inspanningen missen. Hoewel verschillende andere op maat gemaakte maskeruitlijners zijn ontwikkeld, vereisen deze systemen vaak de aankoop en assemblage van veel verschillende onderdelen en kunnen ze nog steeds vrij complex zijn12,13,14. Dit is niet alleen duur voor kleinere laboratoria, maar vereist ook tijd en training om het systeem te bouwen, te begrijpen en te gebruiken. De maskeruitlijner die in dit document wordt beschreven, probeerde deze problemen te verlichten, omdat er geen behoefte is aan de aankoop van extra apparatuur, waarvoor alleen apparatuur nodig is die meestal al aanwezig is in laboratoria die microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Bovendien wordt de maskeruitlijner vervaardigd door 3D-printen, dat met de recente vooruitgang van 3D-printtechnologie gemakkelijk beschikbaar is geworden voor de meeste laboratoria en universiteiten tegen betaalbare kosten.
Het protocol dat in dit document wordt beschreven, is bedoeld om een kosteneffectieve en eenvoudig te bedienen alternatieve maskeruitlijner te creëren. De maskeruitlijner die hierin wordt beschreven, kan meerlaagse microfabrication haalbaar maken voor onderzoekslaboratoria zonder conventionele fabricagefaciliteiten. Met behulp van de microscope mask alignment adapter (MMAA) kunnen functionele microchips met complexe functies worden bereikt met behulp van een gewone UV-lichtbron, optische microscoop en gemeenschappelijke laboratoriumapparatuur. De resultaten laten zien dat de MMAA goed presteert met een voorbeeldsysteem met behulp van een rechtopstaande microscoop en een UV-lichtbelichtingsbox. De MMAA geproduceerd met behulp van het 3D-printproces werd gebruikt om een tweelaagse mastervorm van een visgraatmicrofluïdisch apparaat te verkrijgen met minimale uitlijningsfouten. Met behulp van de master mal vervaardigd met een 3D-geprinte MMAA, werden microfluïdische apparaten bereid met meerlagige structuren met uitlijningsfouten van < 10 μm. De uitlijningsfout van <10 μm is minimaal genoeg om de toepassing van het microfluïdische apparaat niet te belemmeren.
Bovendien werd de succesvolle uitlijning van een vierlaagse master mold geproduceerd met behulp van de MMAA bevestigd en werden uitlijningsfouten vastgesteld op < 10 μm. De functionaliteit van het microfluïdische apparaat en minimale uitlijningsfouten valideren de succesvolle toepassing van de MMAA bij het maken van meerlaagse microfluïdische apparaten. De MMAA kan worden aangepast aan elke microscoop en UV-belichtingssysteem door kleine wijzigingen aan te brengen in het bestand in de 3D-printer. Het volgende protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om de MMAA af te stemmen op de beschikbare apparatuur in elk laboratorium en de MMAA 3D-print met de vereiste specificaties. Bovendien beschrijft het protocol hoe u een meerlaagse mastermammel kunt ontwikkelen met behulp van het systeem en vervolgens PDMS-microfluïdische apparaten kunt produceren met behulp van de master mold. Het genereren van de master mold en microfluïdische chips stelt de gebruiker vervolgens in staat om de effectiviteit van het systeem te testen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ontwerpen van de MMAA
- Verkrijg de afmetingen van de lade van het beschikbare UV-lichtemissiesysteem als bovengrens voor de afmetingen van de waferhouder (of UV-belichtingseenheid) in figuur 1. Zoals weergegeven in figuur 2A,meet u de diameter (d) van de binnenste cirkelrand, de binnenhoogte (h) van de lade van het UV-lichtemissiesysteem, de totale breedte (b) en lengte (l) van de lade.
OPMERKING: Het beschikbare UV-lichtblootstellingssysteem had bijvoorbeeld binnenladeafmetingen van 5 inch (") x 5" x 0,25" met een 4" cirkelvormige uitsparing. De afmetingen van de MMAA zijn vervolgens ontworpen om niet groter te zijn dan de afmetingen van de binnenlade om goed te passen en plat in de lade van het systeem te zitten, zoals weergegeven in figuur 2B. Zie figuur 3 voor de 3D-geprinte stukken van de MMAA: met fotoresistent bedekte siliconenwafel en een sluiting om de opstelling aan de microscoop te bevestigen. - Meet de lengte tussen de schroeven op het beschikbare rechtopstaande microscoopstadium dat de schuifhouder op zijn plaats houdt. Meet bovendien de breedte van de schroeven. Pas deze afmetingen toe om de magneethouder (figuur 1) aan te passen aan de beschikbare microscoop om een eenvoudige en nauwkeurige bevestiging van de MMAA aan de microscoop mogelijk te maken (figuur 4A).
- Met behulp van een beschikbare computerontwerptoepassing past u de waferhouder en de magnetische microscoopbevestiging aan binnen de gemeten afmetingen. Ontwerp de hoogte, breedte en lengte van de waferhouder om niet groter te zijn dan de hoogte (h), breedte (b) en lengte (l) van de lade van het UV-lichtemissiesysteem. Voeg bovendien de cirkelvormige uitsparing aan de onderkant van de waferhouder toe met dezelfde diameter (d) als de lade van het UV-lichtemissiesysteem. Genereer STL- of CAD-bestanden voor de twee stukken van de MMAA die moeten worden gebruikt voor 3D-afdrukken van het apparaat (zie Aanvullend materiaal).
2.3D Het drukken van MMAA
- Upload de gegenereerde STL- of CAD-bestanden naar de beschikbare 3D-printsoftware. 3D-Print de twee stukken van de MMAA door de juiste procedure te volgen voor het gebruikte 3D-proces en de gebruikte printer. Voltooi de stukken door de vereiste stappen na het afdrukken te volgen (bijv. verwijderen van ondersteunend materiaal, verwijderen van niet-uitgeharde hars, extra was- of uithardingsstappen). U kunt ook een beschikbare 3D-printfaciliteit gebruiken om de ontworpen stukken elders te laten afdrukken en voltooien.
- Zorg ervoor dat de waferhouder goed past en plat in de lade van het beschikbare UV-lichtblootstellingssysteem zit (Afbeelding 2B). Zorg er bovendien voor dat de microscoopbevestiging aan het microscoopstadium is bevestigd en gemakkelijk kan worden verplaatst met behulp van de knoppen die de x- en y-posities van het microscoopstadium regelen (afbeelding 4A).
- Zodra de stukken zijn afgerond, plaatst en bevestigt u de magneten in de waferhouder en microscoopbevestiging(figuur 3A),met behulp van superlijm of een andere bevestigingsstof. Laat de lijm drogen voordat u het systeem test.
OPMERKING: Indien gewenst kan een protype stuk eerst worden afgedrukt met behulp van een Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printer om middelen en geld te besparen15. Dit protype kan vervolgens worden beoordeeld op nauwkeurige pasvorm van de beschikbare apparatuur en het ontwerp kan vervolgens indien nodig worden gewijzigd. Het uiteindelijke apparaat kan vervolgens worden afgedrukt met behulp van een nauwkeuriger proces (bijv. stereolithografie) voor een betere precisie. Het uiteindelijke apparaat kan ook worden bedrukt met een doorschijnende afwerking voor optimaal gebruik onder de microscoop.
3. Experimentele tests van de MMAA
- Ontwerp en afdrukken van de fotomaskers van het microfluïdische apparaat met uitlijningsmarkeringen
- Gebruik een computerontwerptoepassing om fotomaskers te ontwerpen voor het gewenste tweelaagse microfluïdische apparaat.
- Voeg extra structuren toe aan de zijkant van de kanaalstructuren van het microfluïdische apparaat die zullen fungeren als uitlijningsmarkeringen (dichter bij de rand van het fotomasker / de hoofdmal) zoals weergegeven in figuur 5A, B. Zorg ervoor dat er één uitlijningsmarkering aan elke kant van het microfluïdische apparaat is (voor een totaal van ten minste vier). Zorg er bovendien voor dat het fotomasker een rechte rand bevat die perfect kan worden uitgelijnd met de rechte rand van de siliconen wafer.
OPMERKING: De hogere complexiteit van de uitlijningsmarkeringsstructuur zorgt voor een grotere uitlijningsnauwkeurigheid van de extra lagen. Er moet ten minste een eenvoudige dwarsstructuur met afmetingen van 1 mm x 1 mm worden gebruikt (figuur 6A). Een voorbeeld van de uitlijningsmarkeringen is te zien in de hoeken en de onderste middenrand van figuur 5A,B, die de fotomaskers van de eerste en tweede laag weergeven die worden gebruikt om een dubbellaagse hoofdvorm te genereren. - Print de fotomaskers via een commerciële leverancier of via andere toegankelijke faciliteiten
- Creatie van de tweelaagse master mold met behulp van de MMAA (fotolithografie)
- Maak met behulp van standaard fotolithografietechnieken en de instructies van de fotoresist fabrikant de eerste laag van de hoofdmal met behulp van het fotomasker van de eerste laag16. Gebruik een 4" siliconen wafer met de juiste fotoresist (d.w.z. SU-8) om de gewenste laagdikte te creëren. Zorg ervoor dat de dikte van de eerste laag groter is dan de volgende lagen voor eenvoudige identificatie van de uitlijningsmarkeringen.
- Gebruik een lichtgekleurde markeerstift (bijv. goud) om de uitlijningsmarkeringen van de eerste laag aan alle vier de zijden in te kleuren.
- Start met behulp van de instructies van de fotoresistfabrikant de tweede laag van de mastervorm door de fotoresist op de wafer te spincoaten en de soft bake uit te voeren16. Steek de gecoate wafer in de waferhouder van de MMAA (figuur 3B) en bevestig de gecoate wafer met tape aan de MMAA.
- Bevestig de waferhouder met behulp van de magnetische microscoopsluiting aan de beschikbare rechtopstaande microscoop (afbeelding 4A). Verplaats de positie van de MMAA met behulp van de x- en y-richtingsknoppen van het microscoopstadium totdat een van de gekleurde uitlijningsmarkeringen op de wafer zichtbaar is door de microscooplens.
- Steek het fotomasker van de tweede laag in de waferhouder, bovenop de gecoate wafer (figuur 3C). Zorg ervoor dat de gekleurde uitlijningsmarkeringen van de eerste laag gedeeltelijk zichtbaar zijn via de uitlijningsmarkeringen op het fotomasker.
- Bevestig het fotomasker met tape aan een schaarlift (ook wel steunaansluiting genoemd) door een van de zijuitsparingen (afbeelding 4B). Gebruik de schaarlift om de z-richtingspositie van het fotomasker aan te passen totdat deze recht boven de gecoate wafer ligt (afbeelding 3C).
OPMERKING: De schaarlift maakt een fijne aanpassing van de z-positie van het fotomasker mogelijk, omdat de schaarlift kan worden gebruikt om de positie van het bijgevoegde fotomasker in de z-richting te verplaatsen. - Terwijl u het fotomasker stil houdt, kijkt u door de microscooplens en identificeert u de gekleurde uitlijningsmarkeringen van de eerste laag onder de uitlijningsmarkeringen van het fotomasker. Gebruik de x- en y-richtingsknoppen van het microscoopstadium om de positie van de MMAA te verplaatsen (Afbeelding 4D). Pas de positie van de MMAA aan totdat de uitlijningsmarkering op het fotomasker wordt overlappen met de gekleurde uitlijningsmarkering op de eerste laag (figuur 6A, B) door de positie van de uitlijningsmarkeringen door de microscooplens te observeren.
- Breng voorzichtig een lichte kracht aan op het fotomasker en gebruik tape om het fotomasker op zijn plaats te zetten bovenop de gecoate wafer. Maak het fotomasker los van de schaarlift. Zorg ervoor dat alle vier de uitlijningsmarkeringen op het fotomasker zijn uitgelijnd met de vier uitlijningsmarkeringen op de eerste laag.
- Zodra de uitlijning is bereikt, maakt u de waferhouder voorzichtig los van het microscoopstadium. Plaats de glazen bovenplaat bovenop de wafer en het fotomasker om de opening tussen de twee stukken te verkleinen (Afbeelding 1). Plaats de gehele waferhouder in het beschikbare UV-lichtblootstellingssysteem zoals weergegeven in figuur 4E. Stel de tweede laag bloot voor de juiste tijd en lichtintensiteit zoals beschreven in de instructies van de fotoresistfabrikant16.
- Verwijder de waferhouder uit het UV-lichtblootstellingssysteem. Verwijder de gecoate wafer uit de waferhouder en maak het fotomasker los van de wafer. Voltooi de verwerking van de tweede laag (bijv. na het bakken, ontwikkelen en spoelen en drogen) volgens de instructies van de fotoresistfabrikant16.
OPMERKING: De exacte spincoating, zacht bakken, blootstellen, nabakken en ontwikkelingsomstandigheden (tijd, temperatuur) variëren afhankelijk van de gebruikte fotoresist en de gewenste laagdikte. De werkelijke omstandigheden en de exacte fotolithografieprocedure moeten gebaseerd zijn op de instructies van de fotoresistfabrikant.
- Bereiding van een microfluïdisch apparaat met behulp van de hoofdvorm (zachte lithografie)
- Haal de master mold op en zet deze vast in het midden van een 150 mm x 15 mm plastic Petrischaal met tape.
- Bereid ~15-20 g PDMS voor op basis van de instructies van de fabrikant. Plaats het PDMS in een vacuümkamer of laat het rusten tot het vrij is van bellen. Giet het PDMS in de Petrischaal met de hoofdvorm.
- Laat de Petrischaal met de hoofdvorm op het aanrecht rusten totdat het PDMS vrij is van bubbels. Zet de Petrischaal in een oven op 65 °C tot de PDMS volledig uitgehard is (minstens 3 uur).
- Knip het PDMS uit om de microkanaalstructuren te onthullen. Snijd het PDMS rond de microkanaalstructuren in afzonderlijke microchips en maak de inlaat- en uitlaatgaten voor het microfluïdische apparaat. Gebruik tape om voorzichtig kleine deeltjes te verwijderen die op het PDMS-oppervlak kunnen liggen.
- Voltooi de microchipfabricage door de PDMS-chip aan het PDMS te verlijmen of een microscoopschuif door de PDMS-chip en het extra substraat te plasmabehandeling.
- Bepaling van de uitlijningsfout
- Haal de hoofdmal op en gebruik de rechtopstaande microscoop om de afstand (uitlijningsfout) tussen de eerste laag en de tweede laag te bepalen. Doe dit door simpelweg de afstand te meten waarmee de tweede laag wordt verschoven en verkeerd uitgelijnd vanaf de eerste laag op de microkanaalstructuren (zie figuur 5D voor een voorbeeld van een gemeten spleetafstand).
- Gebruik de rechtopstaande microscoop om te bepalen of de PDMS-chip kanaalwanden bevat die recht zijn met duidelijke apparaatranden. Controleer bovendien de PDMS-chip op mogelijke defecten die de functionaliteit van het apparaat kunnen belemmeren.
OPMERKING: De fabricage van de hoofdvorm (punten 3.2 en 3.3) moet mogelijk worden herhaald om een lagere uitlijningsfout te bereiken. Herhaalde oefening met behulp van de MMAA wordt getoond om het vermogen van de gebruiker om een goed uitgelijnde master mold te maken te verbeteren. Bovendien kunnen beelden worden verkregen door elektronenmicroscopie (SEM) (figuur 7) te scannen om de uitlijningsfout te bevestigen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Door de optimalisatie en het gebruik van de MMAA (figuur 1) werden meerlaagse mastermallen met minimale uitlijningsfout vervaardigd. De uiteindelijke MMAA werd vervaardigd met behulp van het 3D-printproces 3D-printproces (FFF) van fused filament fabrication(FFF). Het FFF-proces zorgt voor een grotere nauwkeurigheid voor de gewenste apparaatafmetingen. De MMAA bestaat uit twee hoofdstukken(afbeelding 3):het basisstuk en de aangepaste bevestiging. Het basisstuk bestaat uit de UV-belichtingseenheid, die fungeert als de waferhouder. De UV-belichtingseenheid maakt een goede uitlijning van het fotomasker en de gecoate siliconen wafer mogelijk. Het tweede stuk is de aangepaste bevestiging die de waferhouder met magneten aan het platform van de microscoop bevestigt. De volledige opstelling die wordt gebruikt om te helpen bij het uitlijnen van de boven- en onderlagen van de dubbellaagse hoofdvorm is weergegeven in figuur 4. Dit systeem en het beschreven protocol werden gebruikt voor de uitlijning van de markeringen op het fotomasker met de markeringen op de beginlaag van de hoofdmal (figuur 6). De dubbellaagse SU-8 master mold voor een microfluïdisch apparaat met een visgraatpatroon werd vervolgens gefabriceerd en bleek een spleetafstand van < 5 μm tussen de twee lagen te hebben (Figuur 5).
De tweelaagse master mold (Figuur 7A) werd vervolgens gebruikt om PDMS-microchips te fabriceren die te zien zijn in figuur 7D. De SEM-afbeeldingen in figuur 7B,C laten zien dat het microfluïdische apparaat met het visgraatpatroon duidelijke randen, rechte wanden en goed uitgelijnde lagen bevat, die essentieel zijn voor de juiste apparaatfunctionaliteit. Bovendien is een vierlaagse master mold met eenvoudige cirkelvormige kenmerken (Figuur 8A) gemaakt met behulp van de MMAA om een succesvolle uitlijning van een meerlaagse master mold te laten zien. Profilometergegevens (figuur 8B) bevestigen de vier verschillende lagen van de hoofdvorm. Metingen van de uitlijningsfout die is verkregen voor meerdere vierlaagse objecten van verschillende geometrie bevestigen dat de uitlijningsfout niet groter is dan 5% van de ontworpen afstand tussen de lagen. Uit de afbeeldingen van het uiteindelijke apparaat blijkt duidelijk dat menselijke fouten tijdens het fixeren van het masker op de MMAA vóór de UV-blootstelling van de tweede laag de afstand tussen de twee apparaatlagen verhoogden en een verkeerde uitlijning veroorzaakten. Naarmate de gebruiker echter meer vertrouwd raakt met de procedure, kan het uiteindelijke apparaat worden geproduceerd met een resulterende uitlijningsfout van < 10 μm, zoals bevestigd door de afgebeelde resultaten.
Figuur 1: Ontwerp van een 3D-printbare MMAA voor meerlaagse microfabrication. De afbeelding toont de twee stukken van de MMAA: de UV-belichtingseenheid en de aangepaste microscoopbevestiging. De UV-belichtingseenheid herbergt in dalende volgorde de glazen bovenplaat, die het fotomasker tegen de wafer houdt; het fotomasker; en de met fotoresisten bedekte wafel. De UV-belichtingseenheid wordt vervolgens magnetisch bevestigd aan de aangepaste microscoopbevestiging, die aan het microscoopstadium is bevestigd en vervolgens een goede uitlijning van het fotomasker en de wafer mogelijk maakt. Afkortingen: MMAA = microscope mask alignment adapter; UV = ultraviolet. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 2: Aanpassing en 3D-printen van een MMAA en nabewerking voor een volledig uitgehard apparaat. (A) Foto van de lade van het beschikbare UV-lichtemissiesysteem met de nodige metingen die nodig zijn om de MMAA aan te passen. De gebruiker moet de diameter (d) van de binnenste cirkelrand, de binnenhoogte (h), de totale breedte (b) en de lengte (l) van de lade meten. (B) Na aanpassing moet de MMAA dan plat in de lade zitten, zoals hier wordt getoond. (C) Illustratie van het FFF 3D-printproces. Het FFF-proces produceert structuren door het 3D-geprinte filament in lagen te brengen. Het filament wordt afgezet in dunne lagen, de ene bovenop de andere, totdat het uiteindelijke 3D-geprinte stuk is geproduceerd. (D) Het uitharden van de uiteindelijke 3D-geprinte MMAA in de UV-uithardingskamer als onderdeel van het nadrukproces. Afkortingen: MMAA = microscope mask alignment adapter; UV = ultraviolet; FFF = gesmolten filamentfabricage. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 3: 3D-geprinte stukken van een MMAA. (A) Twee stukken werden met magneten verbonden (aangegeven door rode stippelrechthoek). (B) MMAA met een siliconen wafer bedekt met een dun laagje fotoresist (SU-8). (C) MMAA met een fotomasker over de gecoate siliconen wafer ter voorbereiding op het uitlijningsproces. Afkorting: MMAA = microscope mask alignment adapter. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 4: Procedure voor het gebruik van een 3D-geprinte MMAA voor het uitlijnen van het fotomasker. (A) Nadat de MMAA is geladen met de met fotoresens bedekte siliconen wafer, wordt de MMAA vervolgens op het podium van een rechtopstaand microscoopsysteem geplaatst en met behulp van de magnetische microscoopbevestiging zoals afgebeeld in de afbeelding aan het podium bevestigd. (B) Het fotomasker wordt vervolgens in de MMAA gestoken en bevestigd aan het z-richtingsverstelplatform, ook wel een schaarlift genoemd, via een van de zijkanten van de MMAA zoals afgebeeld in de afbeelding. (C) De hoogte van het schaarliftplatform wordt vervolgens aangepast totdat het fotomasker recht boven de gecoate siliconenwafel ligt, zoals op de afbeelding te zien is. Vanaf dit punt wordt het fotomasker pas verplaatst als de uitlijning is voltooid. (D) Om een perfecte uitlijning te bereiken, wordt de positie van de MMAA en dus van de siliciumwafel op het microscoopstadium vervolgens in de x- en y-richting aangepast met behulp van de knoppen van de microscoop, zoals weergegeven in de afbeelding. De x- en y-posities van de siliciumwafel worden fijn afgesteld, terwijl de gebruiker door de microscooplens observeert totdat de uitlijningsmarkeringen op de siliciumwafel en het fotomasker over elkaar heen worden geplaatst. Zodra dit is bereikt, kan het fotomasker aan de wafer worden bevestigd. (E) Nadat de uitlijning is bereikt, wordt de MMAA zorgvuldig losgemaakt van het microscoopstadium en in de lade van het UV-lichtblootstellingssysteem geplaatst. De lade kan worden gesloten zodat de wafer kan worden blootgesteld aan UV-straling om de fotoresist te genezen. Afkorting: MMAA = microscope mask alignment adapter. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Dubbellaagse kanaalstructuur gemaakt met behulp van de MMAA. De dubbellaagse master mold is ontworpen voor de productie van visgraat microfluïdische apparaten met vier parallelle kanalen. (A) Afbeelding van het eerste-laags fotomaskerontwerp, dat de omtrek voor de kanalen bevat en de holle vloer van het microfluïdische apparaat genereert. (B) Afbeelding van het tweedelaags fotomaskerontwerp, dat het visgraatpatroon bevat in de kanalen langs het dak van het microfluïdische apparaat. (C) De inlaatstructuur van de dubbellaagse hoofdvorm aangegeven door rode onderbroken rechthoeken in (A) en (B). De afbeelding toont een minimale afstand tussen de twee lagen. (D) Een gedeelte van de dubbellaagse hoofdvorm met een bocht in het kanaal aangegeven door groene onderbroken rechthoeken in (A) en (B). De afstand tussen de twee pijlen is 5 μm. Schaalbalken = 100 μm. Afkorting: MMAA = microscope mask alignment adapter. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 6: Microfabrication resultaten met de MMAA. (A) en (B) tonen de uitlijning van de markers op het fotomasker. Schaalbalken = 200 μm. (C) en (D) zijn de overeenkomstige afbeeldingen van de markeringen op de wafer na blootstelling. Schaalbalken = 100 μm. Afkorting: MMAA = microscope mask alignment adapter. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 7: De master mal bereid met behulp van de MMAA en de resulterende PDMS apparaat gemaakt van de master schimmel. (A) Dubbellaagse master schimmel van visgraat microfluïdische apparaat bereid met behulp van de MMAA om uitlijning van lagen te bereiken. (B) en (C) zijn SEM-afbeeldingen van het visgraatapparaat in verschillende schalen met de rode pijlen die naar de onderste laag wijzen. (D) PDMS microfluïdisch apparaat met visgraatpatroon gemaakt met behulp van de dubbellaagse mastervorm in (A). Afkortingen: MMAA = microscope mask alignment adapter; PDMS = poly(dimethylsiloxaan); SEM = scanning elektronenmicroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 8: Beeld- en profilometergegevens van een vierlaagse mastermammel gemaakt met behulp van de MMAA. (A) Afbeelding van een vierlaagse hoofdvorm gemaakt met behulp van de MMAA met een succesvolle uitlijning van de lagen. Eenvoudige cirkelvormige functies in aflopende grootte werden gekozen om de uitlijningscapaciteit van de MMAA aan te tonen. Schaalbalk = 1.250 μm. (B) Profilometergegevens van dezelfde cirkelvormige vierlaagse hoofdvorm die de aanwezigheid van de vier afzonderlijke lagen bevestigen. Afkortingen: MMAA = microscope mask alignment adapter. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Soepelmantaal materiaal. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het bovengenoemde protocol schetst de procedure voor het 3D-printen van een MMAA en het gebruik van het systeem om een nauwkeurige, meerlaagse, microfluïdische apparaatmodelvorm te maken. Hoewel het apparaat gemakkelijk te gebruiken is, zijn er kritieke stappen binnen het protocol die oefening en zorg vereisen om een goede uitlijning van de hoofdmaslagen te garanderen. De eerste kritische stap is het ontwerp van de MMAA. Het is essentieel bij het ontwerpen van de MMAA om de exacte metingen voor het apparaat te bepalen die een goede pasvorm in het UV-lichtblootstellingssysteem mogelijk maken. Een verkeerde uitlijning van het apparaat kan ongelijkmatige blootstelling aan UV-licht veroorzaken, wat misvormingen van de hoofdvormkenmerken kan veroorzaken. De tweede kritieke stap is om voorzichtig te zijn bij het uitlijnen van de eerste en tweede laag van de hoofdvorm bij het gebruik van de MMAA. Het is noodzakelijk na het uitlijnen van het tweedelaags fotomasker met de uitlijningsmarkeringen van de eerste laag dat de gebruiker veel zorg draagt bij het bevestigen van het fotomasker aan de wafer en MMAA. De micron-sized functies betekenen dat elke kleine verkeerde uitlijning als gevolg van beweging van het fotomasker tijdens fixatie uitlijningsfouten kan veroorzaken die het uiteindelijke PDMS-apparaat onbruikbaar kunnen maken. Daarom vereist deze stap nauwkeurigheid die met de praktijk kan worden ontwikkeld met behulp van de MMAA. De laatste kritieke stap is ervoor te zorgen dat er geen opening is tussen het fotomasker en de gecoate wafer om een gelijkmatige blootstelling aan UV-licht te garanderen. Deze techniek bij het gebruik van de MMAA om meerlaagse mastermallen te maken, wordt beperkt door de aandacht voor detail en zorg van de gebruiker bij het volgen van het gegeven protocol, omdat de bovenstaande kritieke stappen moeten worden gevolgd om goed uitgelijnde lagen te garanderen.
Meerlaagse microfluïdische apparaten zijn meestal moeilijk te produceren met weinig fouten, tenzij traditionele uitlijningsapparatuur beschikbaar is. Deze apparatuur is duur en vereist vanwege zijn gevoeligheid speciale training en meestal een cleanroomomgeving die niet altijd beschikbaar is voor kleinere laboratoria. Bovendien vereisen eerder gepubliceerde op maat gemaakte maskeruitlijners meestal de aankoop en assemblage van veel verschillende stukken, waardoor de platforms nog steeds duur te produceren en moeilijk te gebruiken12,13,14kunnen zijn . Het belang van de MMAA is dat het een eenvoudig te fabriceren en kosteneffectief alternatief is voor standaardapparatuur die wordt gebruikt voor de vervaardiging van meerlaagse microfluïdische apparaten. Bovendien vereist de MMAA geen speciale opleiding voor het gebruik ervan, omdat de toepassing ervan vrij eenvoudig is en standaard laboratoriumapparatuur gebruikt die al aanwezig is in laboratoria die regelmatig microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Hierdoor kunnen kleine en resource-beperkte laboratoria meerlaagse microfluïdische apparaten produceren met verbeterde functionaliteit.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets bekend te maken.
Acknowledgments
De auteurs willen het Center for Transformative Undergraduate Experiences van texas tech university erkennen voor het verstrekken van financiering voor dit project. De auteurs willen ook de steun van de afdeling Chemical Engineering van de Texas Tech University erkennen.
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).
