Summary
Dette prosjektet gjør det mulig for små laboratorier å utvikle en brukervennlig plattform for fabrikasjon av presise flerlags mikrofluidiske enheter. Plattformen består av en tredimensjonalt trykt mikroskopmaskejusteringsadapter som flerlags mikrofluidiske enheter med justeringsfeil på <10 μm ble oppnådd.
Abstract
Dette prosjektet tar sikte på å utvikle en brukervennlig og kostnadseffektiv plattform for fabrikasjon av presise, flerlags mikrofluidiske enheter, som vanligvis bare kan oppnås ved hjelp av kostbart utstyr i et rent rom. Nøkkeldelen av plattformen er en tredimensjonalt (3D) trykt mikroskopmaskejusteringsadapter (MMAA) kompatibel med vanlige optiske mikroskoper og ultrafiolette (UV) lyseksponeringssystemer. Den generelle prosessen med å lage enheten har blitt enormt forenklet på grunn av arbeidet som er gjort for å optimalisere enhetsdesignet. Prosessen innebærer å finne de riktige dimensjonene for utstyret som er tilgjengelig i laboratoriet og 3D-utskrift av MMAA med de optimaliserte spesifikasjonene. Eksperimentelle resultater viser at den optimaliserte MMAA designet og produsert av 3D-utskrift fungerer bra med et felles mikroskop og lyseksponeringssystem. Ved hjelp av en masterform utarbeidet av den 3D-trykte MMAA, inneholder de resulterende mikrofluidiske enhetene med flerlagsstrukturer justeringsfeil på <10 μm, som er tilstrekkelig for vanlige mikrochips. Selv om menneskelig feil gjennom transport av enheten til UV-lyseksponeringssystemet kan forårsake større fabrikasjonsfeil, er de minimale feilene som oppnås i denne studien oppnåelige med praksis og omsorg. Videre kan MMAA tilpasses for å passe til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved å gjøre endringer i modelleringsfilen i 3D-utskriftssystemet. Dette prosjektet gir mindre laboratorier et nyttig forskningsverktøy, da det bare krever bruk av utstyr som vanligvis allerede er tilgjengelig for laboratorier som produserer og bruker mikrofluidiske enheter. Følgende detaljerte protokoll beskriver utformings- og 3D-utskriftsprosessen for MMAA. I tillegg er trinnene for å anskaffe en flerlags masterform ved hjelp av MMAA og produsere poly (dimetylsiloksan) (PDMS) mikrofluidiske sjetonger også beskrevet her.
Introduction
Et velutviklet og lovende felt innen ingeniørforskning er mikrofabrikasjon på grunn av den enorme utstrekningen av applikasjoner som bruker mikrofluidiske plattformer. Mikrofabrikasjon er en prosess der strukturer produseres med μm- eller mindre funksjoner ved hjelp av forskjellige kjemiske forbindelser. Etter hvert som mikrofluidisk forskning har utviklet seg de siste 30 årene, har myk litografi blitt den mest populære mikrofabrikasjonsteknikken for å produsere mikrochips laget av poly (dimetylsiloksan) (PDMS) eller lignende stoffer. Disse mikrochips har blitt mye brukt til miniatyrisering av vanlige laboratoriepraksiser1,2,3,4 og har blitt kraftige forskningsverktøy for ingeniører for å etterligne reaksjonsprosesser5,6,7, studere reaksjonsmekanismer og etterligne organer som finnes i menneskekroppen in vitro (f.eks. organ-på-en-chip)8,9,10. Etter hvert som kompleksiteten i applikasjonen øker, er det imidlertid typisk at en mer kompleks mikrofluidisk enhetsdesign gir bedre replikering av det virkelige systemet det er ment å etterligne.
Den grunnleggende myke litografiprosedyren innebærer å belegge et substrat med et fotoresistisk stoff og plassere en fotomaske over det belagte substratet før du utsetter substratet for UV-lys11. Fotomasken har gjennomsiktige områder som etterligner ønsket mønster av mikrofluidiske enhetskanaler. Når du utsetter det belagte substratet for UV-lys, tillater de gjennomsiktige områdene UV-lyset å trenge gjennom fotomasken, noe som får fotoresisten til å bli krysskoblet. Etter eksponeringstrinnet vaskes den ikke-krysskoblede fotoresisten bort ved hjelp av en utvikler, og etterlater faste strukturer med det tiltenkte mønsteret. Etter hvert som kompleksiteten til mikrofluidiske enheter blir større, krever de flerlagskonstruksjon med ekstremt presise dimensjoner. Prosessen med flerlags mikrofabrikasjon er mye vanskeligere sammenlignet med enkeltlags mikrofabrikasjon.
Multilayer mikrofabrikasjon krever presis justering av de første lagfunksjonene med designene på den andre masken. Normalt utføres denne prosessen ved hjelp av en kommersiell maskejustering, som er dyr og krever opplæring for å betjene maskinene. Dermed er prosessen med flerlags mikrofabrikasjon vanligvis uoppnåelig for mindre laboratorier som mangler midler eller tid til slike bestrebelser. Mens flere andre spesialbygde maskejusteringer er utviklet, krever disse systemene ofte kjøp og montering av mange forskjellige deler og kan fortsatt være ganske komplekse12,13,14. Dette er ikke bare dyrt for mindre laboratorier, men krever også tid og opplæring for å bygge, forstå og bruke systemet. Maskejusteringen som er beskrevet i dette dokumentet, forsøkte å lindre disse problemene, da det ikke er behov for kjøp av ekstra utstyr, og krever bare utstyr som vanligvis allerede er til stede i laboratorier som produserer og bruker mikrofluidiske enheter. I tillegg er maskejusteringen fremstilt av 3D-utskrift, som med den nylige utviklingen av 3D-utskriftsteknologi har blitt lett tilgjengelig for de fleste laboratorier og universiteter til en overkommelig pris.
Protokollen som er beskrevet i dette dokumentet, tar sikte på å skape en kostnadseffektiv og brukervennlig alternativ maskejustering. Maskejustereren som er beskrevet her, kan gjøre multilayer mikrofabrikasjon mulig for forskningslaboratorier uten konvensjonelle fabrikasjonsanlegg. Ved hjelp av mikroskopmaskejusteringsadapteren (MMAA) kan funksjonelle mikrobrikker med komplekse funksjoner oppnås ved hjelp av en vanlig UV-lyskilde, optisk mikroskop og vanlig laboratorieutstyr. Resultatene viser at MMAA fungerer bra med et eksempelsystem ved hjelp av et oppreist mikroskop og en UV-lyseksponeringsboks. MMAA produsert ved hjelp av 3D-utskriftsprosessen ble brukt til å skaffe en bilayer master mold av en sildben mikrofluidisk enhet med minimal justeringsfeil. Ved hjelp av masterformen fremstilt med en 3D-trykt MMAA ble mikrofluidiske enheter tilberedt med flerlagsstrukturer som inneholder justeringsfeil på < 10 μm. Justeringsfeilen på <10 μm er minimal nok til ikke å hindre anvendelsen av den mikrofluidiske enheten.
I tillegg ble den vellykkede justeringen av en firelags masterform produsert ved hjelp av MMAA bekreftet, og justeringsfeil ble fastslått å være < 10 μm. Funksjonaliteten til den mikrofluidiske enheten og minimale justeringsfeil validerer vellykket bruk av MMAA ved oppretting av flerlags mikrofluidiske enheter. MMAA kan tilpasses for å passe til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved å gjøre mindre endringer i filen i 3D-skriveren. Følgende protokoll beskriver trinnene som er nødvendige for å finjustere MMAA slik at det passer til utstyret som er tilgjengelig i hvert laboratorium, og 3D-print MMAA med de nødvendige spesifikasjonene. I tillegg beskriver protokollen hvordan man utvikler en flerlags masterform ved hjelp av systemet og deretter produserer PDMS mikrofluidiske enheter ved hjelp av masterformen. Generering av master mold og mikrofluidic chips tillater deretter brukeren å teste effektiviteten av systemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utforming av MMAA
- Oppnå dimensjonene på brettet til det tilgjengelige UV-lysutslippssystemet som skal være øvre grense for dimensjonene til waferholderen (eller UV-eksponeringsenheten) som er vist i figur 1. Som vist i figur 2Amåler du diameteren (d) på den indre sirkulære kanten, den indre høyden (h) på UV-lysutslippssystemets skuff, den totale bredden (w) og lengden (l) på brettet.
MERK: Som et eksempel hadde det tilgjengelige UV-lyseksponeringssystemet indre skuffdimensjoner på 5 tommer (") x 5 x 0,25" med en 4" sirkulær utsparing. Dimensjonene til MMAA ble deretter designet for å ikke være større enn de indre skuffdimensjonene for å passe riktig og sitte flatt i systemets skuff som vist i figur 2B. Se figur 3 for de 3D-trykte delene av MMAA: fotoresistbelagt silisiumskive og en feste for å feste oppsettet til mikroskopet. - Mål lengden mellom skruene på det tilgjengelige oppreiste mikroskopstadiet som holder skyveholderen på plass. I tillegg måler du bredden på skruene. Påfør disse dimensjonene for å tilpasse magnetholderen (figur 1) slik at den passer til det tilgjengelige mikroskopet for enkel og presis fiksering av MMAA på mikroskopet (figur 4A).
- Bruk et tilgjengelig datadesignprogram til å tilpasse skiveholderen og det magnetiske mikroskopfestet slik at det passer innenfor de målte dimensjonene. Design høyden, bredden og lengden på waferholderen slik at den ikke er større enn høyden (h), bredden (w) og lengden (l) på UV-lysutslippssystemets skuff. I tillegg inkluderer du den sirkulære utsparingen nederst på waferholderen med samme diameter (d) som UV-lysutslippssystemets brett. Generer STL- eller CAD-filer for de to delene av MMAA som skal brukes til 3D-utskrift av enheten (se Tilleggsmateriale).
2.3D Skrive ut MMAA
- Last opp de genererte STL- eller CAD-filene til den tilgjengelige 3D-utskriftsprogramvaren. 3D-Print de to delene av MMAA ved å følge den riktige prosedyren for 3D-prosessen og skriveren som brukes. Fullfør delene ved å følge eventuelle nødvendige trinn etter utskrift (f.eks. fjerning av støttemateriale, fjerning av usikret harpiks, ekstra vaske- eller herdingstrinn). Du kan også bruke et tilgjengelig 3D-utskriftsanlegg for å få de utformede delene skrevet ut og fullført et annet sted.
- Sørg for at skiveholderen sitter godt og sitter flatt inne i skuffen på det tilgjengelige UV-lyseksponeringssystemet (Figur 2B). I tillegg må du sørge for at mikroskopfestet er festet til mikroskopstadiet og enkelt kan flyttes ved hjelp av knottene som styrer x- og y-posisjonene til mikroskopstadiet (figur 4A).
- Når brikkene er ferdigstilt, setter du inn og fester magnetene i skiveholderen og mikroskopfestet (figur 3A), ved hjelp av superlim eller andre festestoffer. La limet tørke før du tester systemet.
MERK: Om ønskelig kan et protypestykke først skrives ut ved hjelp av en 3D-skriver (Fused Deposition Modeling) for å spare ressurser og penger15. Denne protypen kan deretter vurderes for nøyaktig passform til det tilgjengelige utstyret, og designet kan deretter endres om nødvendig. Den endelige enheten kan deretter skrives ut ved hjelp av en mer nøyaktig prosess (f.eks. stereolitografi) for bedre presisjon. Den endelige enheten kan også skrives ut med en gjennomskinnelig finish for optimal bruk under mikroskopet.
3. Eksperimentell testing av MMAA
- Design og utskrift av fotomasker for mikrofluidiske enheter med justeringsmarkører
- Bruk et datadesignprogram til å designe fotomasker for ønsket bilayer mikrofluidisk enhet.
- Inkluder ytterligere strukturer på siden av de mikrofluidiske enhetskanalstrukturene som vil fungere som justeringsmarkører (nærmere kanten av fotomasken / hovedformen) som vist i figur 5A,B. Kontroller at det er én justeringsmarkør på hver side av den mikrofluidiske enheten (totalt minst fire). I tillegg må du sørge for at fotomasken inneholder en rett kant som kan justeres perfekt med den rette kanten av silisiumskiven.
MERK: Den høyere vanskeligheten til justeringsmarkørstrukturen vil gi større justeringsnøyaktighet for de ekstra lagene. I det minste bør en enkel kryssstruktur med mål på 1 mm x 1 mm brukes (Figur 6A). Et eksempel på justeringsmarkørene kan ses i hjørnene og den nederste midtkanten av figur 5A,B, som viser bildemaskene for første og andre lag som brukes til å generere en tolags originalform. - Skriv ut fotomaskene enten gjennom en kommersiell leverandør eller via andre tilgjengelige fasiliteter
- Opprettelse av bilayer master mold ved hjelp av MMAA (fotolitografi)
- Ved hjelp av standard fotolittografiteknikker og fotoresistprodusentens instruksjoner, lag det første laget av mesterformen ved hjelp av det første laget fotomaske16. Bruk en 4" silisiumskive med riktig fotoresist (dvs. SU-8) for å skape ønsket lagtykkelse. Forsikre deg om at den første lagtykkelsen er større enn de etterfølgende lagene for enkel identifisering av justeringsmarkørene.
- Bruk en lys markørpenn (f.eks. gull) til å fargelegge justeringsmarkørene for det første laget på alle fire sidene.
- Ved hjelp av fotoresistprodusentens instruksjoner, start det andre laget av mesterformen ved å spin-belegge fotoresisten på skiven og utføre den myke bake16. Sett den belagte skiven inn i skiveholderen på MMAA (figur 3B) og fest den belagte skiven til MMAA ved hjelp av tape.
- Fest skiveholderen til det tilgjengelige oppreiste mikroskopet ved hjelp av det magnetiske mikroskopfestet (figur 4A). Flytt posisjonen til MMAA ved hjelp av x- og y-retningsknappene på mikroskopstadiet til en av de fargede justeringsmarkørene på skiven er synlig gjennom mikroskoplinsen.
- Sett den andre lags fotomasken inn i skiveholderen på toppen av den belagte skiven (figur 3C). Kontroller at de fargede justeringsmarkørene for første lag delvis kan ses gjennom justeringsmarkørene på fotomasken.
- Fest fotomasken til en sakseløfter (også kjent som en støttekontakt) gjennom en av sideutskjæringene (figur 4B) med tape. Bruk sakseløfteren til å justere z-retningsposisjonen til fotomasken til den ligger rett over den belagte skiven (figur 3C).
MERK: Sakseløfteren gir fin justering av z-posisjonen til fotomasken, da sakseløfteren kan brukes til å flytte posisjonen til den vedlagte fotomasken i z-retningen. - Mens du holder fotomasken stille, kan du se gjennom mikroskoplinsen og identifisere det første lagets fargede justeringsmarkører under justeringsmarkørene til fotomasken. Bruk x- og y-retningsknappene på mikroskoptrinnet til å flytte posisjonen til MMAA (figur 4D). Juster posisjonen til MMAA til justeringsmarkøren på fotomasken er lagt over den fargede justeringsmarkøren på det første laget (Figur 6A,B) ved å observere posisjonen til justeringsmarkørene gjennom mikroskoplinsen.
- Påfør forsiktig en liten kraft på fotomasken og bruk tape for å sikre fotomasken på plass på toppen av den belagte skiven. Løsne fotomasken fra sakseløfteren. Kontroller at alle de fire justeringsmarkørene på fotomasken er på linje med de fire justeringsmarkørene på det første laget.
- Når justeringen er oppnådd, løsner du waferholderen forsiktig fra mikroskopstadiet. Sett inn glassplaten på toppen av skiven og fotomasken for å redusere gapet mellom de to stykkene (figur 1). Plasser hele skiveholderen i det tilgjengelige UV-lyseksponeringssystemet som vist i figur 4E. Utsett det andre laget for riktig tid og lysintensitet som beskrevet i fotoresistprodusentensinstruksjoner 16.
- Fjern skiveholderen fra UV-lyseksponeringssystemet. Fjern den belagte skiven fra skiveholderen og løsne fotomasken fra skiven. Fullfør behandlingen av det andre laget (f.eks. etterbaking, utvikling og skylling og tørking) i henhold til fotoresistprodusentensinstruksjoner 16.
MERK: Det nøyaktige spin-belegget, myk baking, eksponering, etterbaking og utvikling av forhold (tid, temperatur) vil variere basert på fotoresisten som brukes og ønsket lagtykkelse. De faktiske forholdene og den nøyaktige fotolittografiprosedyren bør være basert på fotoresistprodusentens instruksjoner.
- Fremstilling av en mikrofluidisk enhet ved hjelp av masterformen (myk litografi)
- Hent masterformen og fest den i midten av en 150 mm x 15 mm plast Petri-tallerken med tape.
- Klargjør ~15-20 g PDMS basert på produsentens instruksjoner. Plasser PDMS i et vakuumkammer eller la det hvile til det er fritt for bobler. Hell PDMS i Petri-retten som inneholder masterformen.
- La Petri-parabolen med masterformen hvile på benken til PDMS er fri for bobler. Plasser Petri-retten i en ovn ved 65 °C til PDMS er fullstendig herdet (minst 3 timer).
- Klipp ut PDMS for å avsløre mikrokanalstrukturene. Skjær PDMS rundt mikrokanalstrukturene i separate mikrobrikker og lag innløps- og utløpshullene for mikrofluidenheten. Bruk tape til forsiktig å fjerne små partikler som kan ligge på PDMS-overflaten.
- Fullfør mikrochip-fabrikasjonen ved å binde PDMS-brikken til PDMS eller et mikroskop som glir ved å behandle PDMS-brikken og det ekstra substratet i plasma.
- Bestemmelse av justeringsfeilen
- Hent hovedformen og bruk det oppreiste mikroskopet til å bestemme mellomromsavstanden (justeringsfeilen) mellom det første laget og det andre laget. Gjør dette ved ganske enkelt å måle avstanden som det andre laget forskyves og feiljusteres fra det første laget på mikrokanalstrukturene (se figur 5D for et eksempel på en målt gapavstand).
- Bruk det oppreiste mikroskopet til å avgjøre om PDMS-brikken inneholder kanalvegger som er rette med klare enhetskanter. I tillegg må du kontrollere PDMS-brikken for eventuelle feil som kan hindre enhetens funksjonalitet.
MERK: Det kan hende at hovedformfabrikasjonen (pkt. 3.2 og 3.3) må gjentas for å oppnå en lavere justeringsfeil. Gjentatt praksis ved hjelp av MMAA vises for å forbedre brukerens evne til å skape en godt justert masterform. I tillegg kan bilder oppnås ved å skanne elektronmikroskopi (SEM) (figur 7) for å bekrefte justeringsfeilen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Gjennom optimalisering og bruk av MMAA (figur 1)ble flerlags masterformer med minimal justeringsfeil fremstilt. Den endelige MMAA ble fremstilt ved hjelp av den sammensmeltede filamentfabrikasjonen (FFF) 3D-utskriftsprosessen (figur 2). FFF-prosessen gir økt nøyaktighet for de ønskede enhetsdimensjonene. MMAA består av to hoveddeler (figur 3): grunnstykket og det tilpassede festeantrekket. Sokkelstykket består av UV-eksponeringsenheten, som fungerer som waferholder. UV-eksponeringsenheten tillater riktig justering av fotomasken og den belagte silisiumskiven. Det andre stykket er det tilpassede festeanbygget som fikser waferholderen til mikroskopets plattform med magneter. Hele oppsettet som brukes til å hjelpe til med justeringen av de øverste og nederste lagene i tolagsmalformen, vises i figur 4. Dette systemet og den beskrevne protokollen ble brukt til justering av markørene på fotomasken med markørene på det første laget av hovedformen (figur 6). Den tolags SU-8 masterformen for en mikrofluidisk enhet med sildbeinmønster ble deretter fremstilt og ble vist å ha en gapavstand på <5 μm mellom de to lagene (Figur 5).
Den tolags masterformen (figur 7A) ble deretter brukt til å fremstille PDMS-mikrobrikker som kan ses i figur 7D. SEM-bildene sett i figur 7B,C viser at den mikrofluidiske enheten med sildbeinmønsteret inneholder klare kanter, rette kanalvegger og godt justerte lag, som er avgjørende for riktig enhetsfunksjonalitet. I tillegg ble en firelags masterform med enkle sirkulære funksjoner (Figur 8A) opprettet ved hjelp av MMAA for å vise vellykket justering av en flerlags masterform. Profilometerdata (figur 8B) bekrefter de fire forskjellige lagene i hovedformen. Målinger tatt av justeringsfeilen som er oppnådd for flere firelagsfunksjoner i forskjellig geometri, bekrefter at justeringsfeilen ikke er større enn 5 % av den utformede avstanden mellom lagene. Fra bildene av den endelige enheten er det klart at menneskelig feil under fiksering av masken på MMAA før UV-eksponeringen av det andre laget økte gapavstanden mellom de to enhetslagene og forårsaket feiljustering. Etter hvert som brukeren blir mer kjent med prosedyren, kan imidlertid den endelige enheten produseres med en resulterende justeringsfeil på <10 μm, som bekreftet av de avbildede resultatene.
Figur 1: Utforming av en 3D-utskrivbar MMAA for mikrofabrikasjon med flere lag. Illustrasjonen viser de to delene av MMAA: UV-eksponeringsenheten og det tilpassede mikroskopfestet. UV-eksponeringsenheten huser, i synkende rekkefølge, glassplaten, som holder fotomasken mot skiven; fotomasken; og den fotoresistbelagte skiven. UV-eksponeringsenheten festes deretter magnetisk til det tilpassede mikroskopfestet, som er festet til mikroskopstadiet, og tillater deretter riktig justering av fotomasken og skiven. Forkortelser: MMAA = mikroskopmaske justeringsadapter; UV = ultrafiolett. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Tilpasning og 3D-utskrift av en MMAA- og etterbehandling for en fullstendig herdet enhet. (A) Bilde av skuffen til det tilgjengelige UV-lysutslippssystemet som viser de nødvendige målene som trengs for å tilpasse MMAA. Brukeren skal måle diameteren (d) på den indre sirkulære kanten, den indre høyden (h), den totale bredden (w) og lengden (l) på brettet. (B) Etter tilpasning skal MMAA sitte flatt inne i skuffen som vist her. (C) Illustrasjon av FFF 3D-utskriftsprosessen. FFF-prosessen produserer strukturer ved å legge den 3D-trykte filamentet lagvis. Filamentet er avsatt i tynne lag, en på toppen av den neste, til det endelige 3D-trykte stykket er produsert. (D) Herdingen av den endelige 3D-trykte MMAA i UV-herdekammeret som en del av ettertrykksprosessen. Forkortelser: MMAA = mikroskopmaske justeringsadapter; UV = ultrafiolett; FFF = smeltet filament fabrikasjon. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: 3D-trykte deler av en MMAA. (A) To deler var forbundet med magneter (indikert med rødt stiplet rektangel). (B) MMAA som inneholder en silisiumskive belagt med et tynt lag fotoresist (SU-8). (C) MMAA med fotomaske over den belagte silisiumskiven som forberedelse til justeringsprosessen. Forkortelse: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Prosedyre for å bruke en 3D-trykt MMAA for justering av fotomasken. (A) Etter at MMAA er lastet med den fotoresistbelagte silisiumskiven, plasseres MMAA deretter på scenen til et oppreist mikroskopsystem og festes til scenen ved hjelp av det magnetiske mikroskopfestet som vist på bildet. (B) Fotomasken settes deretter inn i MMAA og festes til z-retningsjusteringsplattformen, ellers kjent som en sakseløft, gjennom en av sidene av MMAA som vist på bildet. (C) Høyden på sakseløftplattformen justeres deretter til fotomasken ligger rett over den belagte silisiumskiven som vist på bildet. Fra dette tidspunktet og fremover flyttes ikke fotomasken før justeringen er fullført. (D) For å oppnå perfekt justering justeres posisjonen til MMAA og dermed silisiumskiven på mikroskopstadiet deretter i x- og y-retningen ved hjelp av mikroskopets knotter som vist på bildet. X- og y-posisjonene til silisiumskiven er finjustert, mens brukeren observerer gjennom mikroskoplinsen til justeringsmarkørene på silisiumskiven og fotomasken er lagt over. Når dette er oppnådd, kan fotomasken sikres til skiven. (E) Etter at justeringen er oppnådd, løsnes MMAA forsiktig fra mikroskopstadiet og plasseres i skuffen til UV-lyseksponeringssystemet. Brettet kan lukkes slik at skiven kan utsettes for UV-bestråling for å kurere fotoresisten. Forkortelse: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5:Tolags kanalstruktur opprettet ved hjelp av MMAA. Den tolags masterformen er designet for produksjon av sildbeinmikrofluidiske enheter med fire parallelle kanaler. (A) Bilde av førstelags fotomaskedesign, som inkluderer omrisset for kanalene og genererer det hule gulvet i mikrofluidenheten. (B) Bilde av andrelags fotomaskedesign, som inkorporerer sildbeinmønsteret inne i kanalene som strekker taket på den mikrofluidiske enheten. (C) Innløpsstrukturen til den tolags malformen som indikeres av røde stiplede rektangler i (A) og (B). Bildet viser minimal avstand mellom de to lagene. (D) En del av den tolags malformen som viser en bøyning i kanalen som indikeres av grønne stiplede rektangler i (A) og (B). Avstanden mellom de to pilene er 5 μm. Skalastenger = 100 μm. Forkortelse: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Mikrofabrikasjonsresultater med MMAA. (A) og (B) viser justeringen av markørene på fotomasken. Skalastolper = 200 μm. (C) og (D) er de tilsvarende bildene av markørene på skiven etter eksponering. Skalastenger = 100 μm. Forkortelse: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Hovedformen som er fremstilt ved hjelp av MMAA og den resulterende PDMS-enheten laget av hovedformen. (A) Tolags masterform av sildben mikrofluidisk enhet utarbeidet ved hjelp av MMAA for å oppnå justering av lag. (B) og (C) er SEM-bilder av sildbeinenheten i forskjellige skalaer med de røde pilene som peker mot det nedre laget. (D) PDMS mikrofluidisk enhet med sildbeinmønster laget ved hjelp av tolags masterformen i (A). Forkortelser: MMAA = mikroskopmaske justeringsadapter; PDMS = poly (dimetylsiloksan); SEM = skanning elektronmikroskopi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Bilde- og profilometerdata for en firelags originalform opprettet ved hjelp av MMAA. (A) Bilde av en firelags originalform opprettet ved hjelp av MMAA som viser vellykket justering av lagene. Enkle sirkulære funksjoner i synkende størrelse ble valgt for å demonstrere justeringsevnen til MMAA. Skalastang = 1250 μm. (B) Profilometerdata av samme sirkulære firelags masterform som bekrefter tilstedeværelsen av de fire forskjellige lagene. Forkortelser: MMAA = mikroskopmaskejusteringsadapter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Smidig materiale. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den nevnte protokollen skisserer prosedyren for 3D-utskrift av en MMAA og bruk av systemet til å lage en presis, flerlags, mikrofluidisk enhetsmasterform. Selv om enheten er enkel å bruke, er det kritiske trinn i protokollen som krever øvelse og omsorg for å sikre riktig justering av masterformlagene. Det første kritiske trinnet er utformingen av MMAA. Det er viktig når du designer MMAA for å bestemme de nøyaktige målene for enheten som gir riktig passform inne i UV-lyseksponeringssystemet. En feiljustering av enheten kan forårsake ujevn UV-lyseksponering, noe som kan skape deformiteter av masterformfunksjonene. Det andre kritiske trinnet er å være forsiktig når du justerer det første og andre laget av mesterformen når du bruker MMAA. Det er viktig etter å ha justert andrelags fotomaske med førstelags justeringsmarkører at brukeren er svært forsiktig når du fester fotomasken til skiven og MMAA. De mikronstore funksjonene betyr at enhver liten feiljustering på grunn av bevegelse av fotomasken under fiksering kan skape justeringsfeil som kan gjøre den endelige PDMS-enheten ubrukelig. Derfor krever dette trinnet nøyaktighet som kan utvikles med praksis ved hjelp av MMAA. Det siste kritiske trinnet er å sikre at det ikke er noe gap mellom fotomasken og den belagte skiven for å sikre jevn UV-lyseksponering. Denne teknikken for å bruke MMAA til å lage flerlags masterformer er begrenset av oppmerksomheten på detaljer og omsorg for brukeren når du følger den gitte protokollen, da de kritiske trinnene ovenfor må følges for å sikre godt justerte lag.
Mikrofluidiske enheter med flere lag er vanligvis vanskelige å produsere med liten feil med mindre tradisjonelt justeringsutstyr er tilgjengelig. Dette utstyret er dyrt, og på grunn av følsomheten krever spesiell opplæring og vanligvis et rent rommiljø som ikke alltid er tilgjengelig for mindre laboratorier. I tillegg krever tidligere publiserte spesialbygde maskejusteringer vanligvis kjøp og montering av mange forskjellige deler, noe som fremdeles kan gjøre plattformene dyre å produsere og vanskelige å bruke12,13,14. Betydningen av MMAA er at det er et lett å fremstille og kostnadseffektivt alternativ til standardutstyr som brukes til multilayer mikrofluidisk enhetsproduksjon. I tillegg krever MMAA ingen spesiell opplæring for bruk, da applikasjonen er ganske enkel og bruker standard laboratorieutstyr som allerede er til stede i laboratorier som regelmessig produserer og bruker mikrofluidiske enheter. Dette gjør det mulig for små og ressursbegrensede laboratorier å produsere mikrofluidiske enheter med flere lag med forbedret funksjonalitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å anerkjenne Center for Transformative Undergraduate Experiences fra Texas Tech University for å gi finansiering til dette prosjektet. Forfatterne ønsker også å anerkjenne støtte fra Chemical Engineering Department ved 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).
