Summary
Bu proje, küçük laboratuvarların hassas çok katmanlı mikroakışkan cihazların üretimi için kullanımı kolay bir platform geliştirmesine izin verir. Platform, 10 μm hizalama hatası olan çok katmanlı mikroakışkan cihazların elde edildiği üç boyutlu baskılı mikroskop maske hizalama adaptöründen < oluşur.
Abstract
Bu proje, genellikle yalnızca temiz bir oda ortamında pahalı ekipmanlar kullanılarak elde edilebilen hassas, çok katmanlı mikroakışkan cihazların üretimi için kullanımı kolay ve uygun maliyetli bir platform geliştirmeyi amaçlamaktadır. Platformun önemli kısmı, normal optik mikroskoplar ve ultraviyole (UV) ışık maruziyet sistemleri ile uyumlu üç boyutlu (3D) baskılı mikroskop maske hizalama adaptörüdür (MMAA). Cihaz tasarımını optimize etmek için yapılan çalışmalar nedeniyle cihazı oluşturmanın genel süreci büyük ölçüde basitleştirilmiştir. Proses, laboratuvarda bulunan ekipman için uygun boyutları bulmayı ve MMAA'yı optimize edilmiş spesifikasyonlarla 3D yazdırmayı gerektirir. Deneysel sonuçlar, 3D baskı ile tasarlanan ve üretilen optimize edilmiş MMAA'nın ortak bir mikroskop ve ışığa maruz kalma sistemi ile iyi performans gösterdiğini göstermektedir. 3D baskılı MMAA tarafından hazırlanan bir ana kalıp kullanılarak, çok katmanlı yapılara sahip elde edilen mikroakışkan cihazlar, ortak mikroçipler için yeterli olan 10 μm < hizalama hataları içerir. Cihazın UV ışık maruziyet sistemine taşınması yoluyla insan hatası daha büyük imalat hatalarına neden olsa da, bu çalışmada elde edilen minimum hatalar uygulama ve bakım ile elde edilebilir. Ayrıca, MMAA, 3D baskı sistemindeki modelleme dosyasında değişiklikler yapılarak herhangi bir mikroskop ve UV pozlama sistemine uyacak şekilde özelleştirilebilir. Bu proje, daha küçük laboratuvarlara yararlı bir araştırma aracı sağlar, çünkü yalnızca mikroakışkan cihazlar üreten ve kullanan laboratuvarlar için genellikle zaten mevcut olan ekipmanın kullanılmasını gerektirir. Aşağıdaki ayrıntılı protokol, MMAA için tasarım ve 3D yazdırma işlemini özetlemektedir. Buna ek olarak, MMAA kullanarak çok katmanlı bir ana kalıp temin etme ve poli (dimetilsiloxane) (PDMS) mikroakışkan çipler üretme adımları da burada açıklanmıştır.
Introduction
Mühendislik araştırmalarında iyi gelişmiş ve umut verici bir alan, mikroakışkan platformları kullanan uygulamaların geniş genişliği nedeniyle mikrofabrikasyondur. Mikrofabrikasyon, yapıların farklı kimyasal bileşikler kullanılarak μm veya daha küçük boyutlu özelliklerle üretildiği bir işlemdir. Mikroakışkan araştırmalar son 30 yılda geliştiği gibi, yumuşak litografi poli (dimetilsiloxane) (PDMS) veya benzeri maddelerden yapılan mikroçiplerin üretileceği en popüler mikrofabrikasyon tekniği haline gelmiştir. Bu mikroçipler yaygın laboratuvar uygulamaları1, 2,3,4'ün minyatürleştirilmesi için yaygın olarak kullanılmıştır ve mühendislerin reaksiyon süreçlerini taklit etmek için güçlü araştırma araçları haline gelmiştir5,6,7, çalışma reaksiyon mekanizmaları ve insan vücudunda bulunan organları taklit etmek için in vitro (örneğin, çip üzerinde organ)8,9,10. Bununla birlikte, uygulamanın karmaşıklığı arttıkça, daha karmaşık bir mikroakışkan cihaz tasarımının taklit etmesi amaçlanan gerçek yaşam sisteminin daha iyi çoğaltılmış olmasına izin etmesi tipiktir.
Temel yumuşak litografi prosedürü, bir alt tabakanın fotoresist bir madde ile kaplanmasını ve alt tabakayı UV ışığı11'etabi etmeden önce kaplanmış substratın üzerine bir fotomask yerleştirmeyi içerir. Fotomask, mikroakışkan cihaz kanallarının istenen desenini taklit eden şeffaf bölgelere sahiptir. Kaplamalı alt tabakayı UV ışığına geçirirken, şeffaf bölgeler UV ışığının fotomasktan geçmesine izin vererek fotoresistin çapraz bağlantıya geçmesine neden olur. Pozlama adımından sonra, çapraz bağlantısız fotoresist bir geliştirici kullanılarak yıkanır ve sağlam yapılar hedeflenen desenle bırakilir. Mikroakışkan cihazların karmaşıklığı arttıkça, son derece hassas boyutlara sahip çok katmanlı yapı gerektirirler. Çok katmanlı mikrofabrikasyon işlemi, tek katmanlı mikrofabrikasyona kıyasla çok daha zordur.
Çok katmanlı mikrofabrikasyon, ilk katman özelliklerinin ikinci maskedeki tasarımlarla hassas bir şekilde hizalanmasını gerektirir. Normalde, bu işlem pahalı olan ve makineleri çalıştırmak için eğitim gerektiren ticari bir maske hizalayıcı kullanılarak gerçekleştirilir. Bu nedenle, çok katmanlı mikrofabrikasyon süreci, bu tür çabalar için fon veya zamandan yoksun daha küçük laboratuvarlar için tipik olarak ulaşılamaz. Diğer birkaç özel yapım maske hizalayıcısı geliştirilmiş olsa da, bu sistemler genellikle birçok farklı parçanın satın alınmasını ve montajını gerektirir ve hala oldukça karmaşık olabilir12,13,14. Bu sadece daha küçük laboratuvarlar için pahalı değil, aynı zamanda sistemi oluşturmak, anlamak ve kullanmak için zaman ve eğitim gerektirir. Bu makalede ayrıntılı olarak açıklanan maske hizalayıcısı, ek ekipman alımına gerek olmadığı için bu sorunları hafifletmeye çalıştı, sadece tipik olarak mikroakışkan cihazlar üreten ve kullanan laboratuvarlarda zaten mevcut olan ekipmanı gerektiriyordu. Buna ek olarak, maske hizalayıcı, 3D baskı teknolojisinin son zamanlarda ilerlemesiyle birlikte, çoğu laboratuvar ve üniversite için uygun bir maliyetle kolayca kullanılabilir hale gelen 3D baskı ile üretilmiştir.
Bu makalede ayrıntılı olarak açıklanan protokol, uygun maliyetli ve kolay kullanımlı bir alternatif maske hizalayıcısı oluşturmayı amaçlamaktadır. Burada ayrıntılı olarak açıklanan maske hizalayıcı, konvansiyonel imalat tesisleri olmayan araştırma laboratuvarları için çok katmanlı mikrofabrikasyonu mümkün kılabilir hale getirebilir. Mikroskop maskesi hizalama adaptörü (MMAA) kullanılarak, düzenli bir UV ışık kaynağı, optik mikroskop ve ortak laboratuvar ekipmanı kullanılarak karmaşık özelliklere sahip fonksiyonel mikroçipler elde edilebilir. Sonuçlar, MMAA'nın dik mikroskop ve UV ışığa maruz kalma kutusu kullanan örnek bir sistemle iyi performans gösterdiğini göstermektedir. 3D baskı işlemi kullanılarak üretilen MMAA, minimum hizalama hatası olan bir balıksırtı mikroakışkan cihazının bilayer ana kalıbını elde etmek için kullanıldı. 3D baskılı MMAA ile üretilen ana kalıp kullanılarak mikroakışkan cihazlar, 10 μm < hizalama hataları içeren çok katmanlı yapılarla hazırlandı. <10 μm'lik hizalama hatası, mikroakışkan cihazın uygulanmasını engellemeyecek kadar minimumdur.
Buna ek olarak, MMAA kullanılarak üretilen dört katmanlı bir ana kalıbın başarılı hizalaması onaylandı ve hizalama hatalarının 10 μm < olduğu belirlendi. Mikroakışkan cihazın işlevselliği ve minimum hizalama hataları, çok katmanlı mikroakışkan aygıtlar oluşturmada MMAA'nın başarılı uygulamasını doğrular. MMAA, 3D yazıcıdaki dosyada küçük değişiklikler yaparak herhangi bir mikroskop ve UV pozlama sistemine uyacak şekilde özelleştirilebilir. Aşağıdaki protokol, MMAA'yı her laboratuvarda bulunan ekipmana uyacak şekilde ince ayar yapmak ve MMAA'yı gerekli spesifikasyonlarla 3D yazdırmak için gereken adımları özetlemektedir. Buna ek olarak, protokol sistemi kullanarak çok katmanlı bir kalıp geliştirmek ve daha sonra ana kalıp kullanarak PDMS mikroakışkan cihazlar üretmek için nasıl ayrıntıları. Ana kalıp ve mikroakışkan yongaların üretilmesi, kullanıcının sistemin etkinliğini test etmesine izin verir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. MMAA'nın Tasarımı
- Şekil 1'degösterilen gofret tutucunun (veya UV maruz kalma ünitesinin) boyutları için üst sınır olacak şekilde mevcut UV ışık emisyon sisteminin tepsisinin boyutlarını elde edin. Şekil 2A'dagösterildiği gibi, iç dairesel jantın çapını (d), UV ışık emisyon sisteminin tepsisinin iç yüksekliğini (h), tepsinin toplam genişliğini (w) ve uzunluğunu (l) ölçün.
NOT: Örnek olarak, mevcut UV ışık maruz kalma sistemi 5 inç (") x 5" x 0,25" iç tepsi boyutlarına sahipti ve 4 inç dairesel kesimli. MMAA boyutları daha sonra şekil 2B'degösterildiği gibi sistemin tepsisine düzgün bir şekilde sığacak ve düz oturacak şekilde iç tepsi boyutlarından daha büyük olmayacak şekilde tasarlanmıştır. MMAA'nın 3D baskılı parçaları için Şekil 3'e bakın: fotoresist kaplı silikon gofret ve kurulumu mikroskopa sabitlemek için bir bağlantı elemanı. - Slayt tutucuyu yerinde tutan mevcut dik mikroskop aşamasındaki vidalar arasındaki uzunluğu ölçün. Ayrıca, vidaların genişliğini ölçün. MMAA'nın mikroskopa kolay ve hassas bir şekilde sabitlenmesine izin vermek için manyetik tutucuyu ( Şekil1) mevcut mikroskopa uyacak şekilde özelleştirmek için bu boyutları uygulayın (Şekil 4A).
- Kullanılabilir bir bilgisayar tasarım uygulaması kullanarak, gofret tutucuyu ve manyetik mikroskop bağlantı elemanını ölçülen boyutlara uyacak şekilde özelleştirin. Gofret tutucunun yüksekliğini, genişliğini ve uzunluğunu UV ışık emisyon sisteminin tepsisinin yüksekliğinden (h), genişliğinden (w) ve uzunluğundan (l) büyük olmayacak şekilde tasarlayın. Ek olarak, UV ışık emisyon sisteminin tepsisiyle aynı çapa (d) sahip gofret tutucunun altındaki dairesel kesmeyi ekleyin. Cihazın 3D baskısı için kullanılacak MMAA'nın iki parçası için STL veya CAD dosyaları oluşturun (bkz. Ek Malzeme).
2.3D MMAA'yı Yazdırma
- Oluşturulan STL veya CAD dosyalarını mevcut 3D yazdırma yazılımına yükleyin. 3D-Kullanılan 3D proses ve yazıcı için uygun prosedürü izleyerek MMAA'nın iki parçasını yazdırın. Gerekli baskı sonrası adımları (örneğin, destek malzemesinin çıkarılması, kesilmemiş reçinenin çıkarılması, ek yıkama veya kürleme adımları) izleyerek parçaları tamamlayın. Alternatif olarak, tasarlanan parçaların başka bir yerde basılması ve tamamlanması için mevcut bir 3D baskı tesisi kullanın.
- Gofret tutucunun iyi uyduğundan ve mevcut UV ışık maruz kalma sisteminin tepsisinin içine düz oturduğundan emin olun(Şekil 2B). Ayrıca, mikroskop bağlantı elemanının mikroskop aşamasına takıldığından ve mikroskop aşamasının x ve y konumlarını kontrol eden düğmeler kullanılarak kolayca hareket ettirilebildiğinden emin olun (Şekil 4A).
- Parçalar tamamlandıktan sonra, mıknatısları süper tutkal veya başka bir sabitleme maddesi kullanarak gofret tutucusuna ve mikroskop bağlantı elemanına (Şekil 3A)yerleştirin ve sabitleyin. Sistemi test etmeden önce tutkalın kurumasını bekleyin.
NOT: İsterseniz, kaynak ve paradan tasarruf etmek için önce Kaynaşmış Biriktirme Modellemesi (FDM) 3D yazıcı kullanılarak bir protype parçası yazdırılabilir15. Bu protip daha sonra mevcut ekipmana doğru uyum sağlamak için değerlendirilebilir ve gerekirse tasarım değiştirilebilir. Son cihaz daha sonra daha iyi hassasiyet için daha doğru bir işlem (örneğin Stereolitografi) kullanılarak yazdırılabilir. Son cihaz, mikroskop altında optimum kullanım için yarı saydam bir kaplama ile de yazdırılabilir.
3. MMAA'nın deneysel testleri
- Hizalama işaretçileri ile mikroakışkan cihaz fotokütlelerinin tasarımı ve basımı
- İstenilen çiftyayer mikroakışkan cihaz için fotomasklar tasarlamak için bir bilgisayar tasarım uygulaması kullanın.
- Şekil 5A,B'degösterildiği gibi hizalama işaretçileri (fotomask / ana kalıbın kenarına daha yakın) olarak hareket edecek mikroakışkan cihaz kanalı yapılarının yanına ek yapılar ekleyin. Mikroakışkan cihazın her iki tarafında bir hizalama işaretçisi olduğundan emin olun (toplam en az dört tane). Ek olarak, fotokütlenin silikon gofretin düz kenarıyla mükemmel bir şekilde hizalanabilen düz bir kenar içerdiğinden emin olun.
NOT: Hizalama işaretleyici yapısının daha yüksek karmaşıklığı, ek katmanların daha fazla hizalama doğruluğuna izin verecektir. En azından 1 mm x 1 mm ölçülerinde basit bir çapraz yapı kullanılmalıdır(Şekil 6A). Hizalama işaretçilerinin bir örneği, çift katmanlı bir kalıp oluşturmak için kullanılan birinci ve ikinci katman foto maskelerini gösteren Şekil 5A, B'nin köşelerinde ve alt orta kenarında görülebilir. - Foto maskeleri ticari bir satıcı aracılığıyla veya diğer erişilebilir tesisler aracılığıyla yazdırın
- MMAA kullanılarak bilayer ana kalıbının oluşturulması (fotolithografi)
- Standart fotolithografi tekniklerini ve fotoresist üreticisinin talimatlarını kullanarak, ilk katman foto maskesi16'yıkullanarak ana kalıbın ilk katmanını oluşturun. İstenilen tabaka kalınlığını oluşturmak için uygun fotoresist (örneğin SU-8) ile 4" silikon gofret kullanın. Hizalama işaretleyicilerinin kolay tanımlanması için ilk katman kalınlığının sonraki katmanlardan daha büyük olduğundan emin olun.
- İlk katmanın hizalama işaretleyicilerini dört tarafta da renklendirmek için açık renkli bir işaret kalemi (örneğin, altın) kullanın.
- Fotoresist üreticisinin talimatlarını kullanarak, fotoresisti gofret üzerine döndürerek ve yumuşak fırın16'yıgerçekleştirerek ana kalıbın ikinci katmanını başlatın. Kaplamalı gofreti MMAA'nın gofret tutucusuna takın (Şekil 3B) ve kaplamalı gofreti bant kullanarak MMAA'ya sabitleyin.
- Manyetik mikroskop bağlantı elemanını kullanarak gofret tutucuyu mevcut dik mikroskopa takın (Şekil 4A). Gofret üzerindeki renkli hizalama işaretçilerinden biri mikroskop merceğinden görünüme geçene kadar mikroskop aşamasının x ve y yönlü düğmelerini kullanarak MMAA'nın konumunu hareket ettirin.
- İkinci katman fotokütleyi, kaplanmış gofretin üzerine, gofret tutucusuna yerleştirin (Şekil 3C). İlk katmanın renkli hizalama işaretçilerinin fotokütledeki hizalama işaretçilerinden kısmen görülebildiğinden emin olun.
- Fotokütleyi bantlı yan kesimlerden biri(Şekil 4B)aracılığıyla bir makas asansörüne (destek jakı olarak da bilinir) takın. Fotokütlenin z yönü konumunu kaplamalı gofretin hemen üzerine gelene kadar ayarlamak için makas asansörünü kullanın (Şekil 3C).
NOT: Makas kaldırma, fotokütlenin z konumunda ince ayar yapılmasına izin verir, çünkü makas kaldırma, ekli foto maskesinin konumunu z yönünde hareket ettirmek için kullanılabilir. - Fotokütleyi hareketsiz tutarken mikroskop merceğinden bakın ve fotokübenin hizalama işaretleyicilerinin altındaki ilk katmanın renkli hizalama işaretlerini tanımlayın. MMAA'nın konumunu hareket ettirmek için mikroskop aşamasının x ve y yönlü düğmelerini kullanın (Şekil 4D). Mikroskop lensinden hizalama işaretçilerinin konumunu gözlemleyerek, fotokütledeki hizalama işaretçisi ilk katmandaki renkli hizalama işaretçisiyle(Şekil 6A,B)üst üste binene kadar MMAA'nın konumunu ayarlayın.
- Fotokübe hafif bir kuvvet uygulayın ve fotokütleyi kaplamalı gofretin üzerine sabitlemek için bant kullanın. Fotokütleyi makas kaldırma yerinden ayırın. Fotokütledeki dört hizalama işaretçisinin de ilk katmandaki dört hizalama işaretçisiyle aynı hizada olduğundan emin olun.
- Hizalama elde edildikten sonra, gofret tutucuyu mikroskop aşamasından dikkatlice ayırın. İki parça arasındaki boşluğu azaltmak için cam üst plakayı gofret ve fotokübenin üzerine yerleştirin (Şekil 1). Tüm gofret tutucusunu Şekil 4E'degösterildiği gibi mevcut UV ışık maruziyet sistemine yerleştirin. Fotoresist üreticisinin talimatlarında açıklandığı gibi ikinci katmanı uygun zaman ve ışık yoğunluğu için açığa16.
- Gofret tutucuyu UV ışık maruziyet sisteminden çıkarın. Kaplanmış gofreti gofret tutucudan çıkarın ve fotomask'ı gofretten ayırın. Fotoresist üreticisinin talimatlarına göre ikinci katmanın (örneğin, pişirme sonrası, geliştirme ve durulama ve kurutma) işlenmesini tamamlayın16.
NOT: Tam spin kaplama, yumuşak pişirme, teşhir, pişirme sonrası ve geliştirme koşulları (zaman, sıcaklık) kullanılan fotoresiste ve istenen tabaka kalınlığına bağlı olarak değişecektir. Gerçek koşullar ve tam fotolithografi prosedürü fotoresist üreticisinin talimatlarına dayanmalıdır.
- Ana kalıp kullanılarak mikroakışkan bir cihazın hazırlanması (yumuşak litografi)
- Ana kalıbı alın ve bantlı 150 mm x 15 mm plastik Petri kabının ortasına sabitleyin.
- Üreticinin talimatlarına göre ~15-20 g PDMS hazırlayın. PDMS'yi bir vakum odasına yerleştirin veya kabarcıklardan arınana kadar dinlendirin. PDMS'yi ana kalıbı içeren Petri kabına dökün.
- Pdms kabarcıklardan arınana kadar ana kalıplı Petri kabının tezgahın üzerinde dinlenmesine izin verin. Petri kabını PDMS tamamen iyileşene kadar (en az 3 saat) 65 °C'de bir fırına yerleştirin.
- Mikrokanel yapılarını ortaya çıkarmak için PDMS'yi kesin. Mikrokanel yapıların etrafındaki PDMS'yi ayrı mikroçipler halinde kesin ve mikroakışkan cihaz için giriş ve çıkış delikleri oluşturun. PDMS yüzeyine uzanabilecek küçük partikülleri nazikçe çıkarmak için teyp kullanın.
- PDMS çipini PDMS'ye veya bir mikroskop kaydıramasını PDMS çipine ve ek substrata plazma tedavisi yaparak yapıştırarak mikroçip imalatını tamamlayın.
- Hizalama hatasının belirlenmesi
- Ana kalıbı alın ve birinci katman ile ikinci katman arasındaki boşluk mesafesini (hizalama hatası) belirlemek için dik mikroskobu kullanın. Bunu, ikinci katmanın mikro kanal yapılarındaki ilk katmandan kaydırılma ve yanlış hizalama mesafesini ölçerek yapın (ölçülen boşluk mesafesi örneği için Şekil 5D'ye bakın).
- PDMS yongasının net cihaz kenarlarına sahip düz kanal duvarları içerip içermediğini belirlemek için dik mikroskobu kullanın. Ayrıca, pdms yongasının cihaz işlevselliğini engelleyebilecek olası kusurlara karşı denetleyin.
NOT: Daha düşük bir hizalama hatası elde etmek için ana kalıp imalatı (bölüm 3.2 ve 3.3) tekrarlanması gerekebilir. MMAA'yı kullanarak tekrarlanan uygulama, kullanıcının iyi hizalanmış bir ana kalıp oluşturma yeteneğini geliştirmek için gösterilmiştir. Ayrıca hizalama hatasını doğrulamak için elektron mikroskopisi (SEM) (Şekil 7) taranarak görüntüler elde edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
MMAA'nın optimizasyonu ve kullanımı ile (Şekil 1), minimum hizalama hatası olan çok katmanlı ana kalıplar imal edilmiştir. Son MMAA, kaynaşmış filament imalatı (FFF) 3D baskı işlemi kullanılarak imal edildi (Şekil 2). FFF prosesi, istenen cihaz boyutları için daha fazla doğruluk sağlıyor. MMAA iki ana parçadan oluşur (Şekil 3): taban parçası ve özel bağlantı elemanı. Temel parça, gofret tutucu görevi gören UV pozlama ünitesinden oluşur. UV pozlama ünitesi, fotomask ve kaplamalı silikon gofretin uygun şekilde hizalanmasına izin verir. İkinci parça, gofret tutucuyu mıknatıslarla mikroskop platformuna sabitleyen özel bağlantı elemanıdır. Çift katmanlı ana kalıbın üst ve alt katmanlarının hizalanmasına yardımcı olmak için kullanılan kurulumun tamamı Şekil 4'te gösterilmektedir. Bu sistem ve açıklanan protokol, fotokütledeki işaretleyicilerin ana kalıbın ilk katmanındaki işaretlerle hizalanması için kullanılmıştır (Şekil 6). Balıksırtı desenli bir mikroakışkan cihaz için çift katmanlı SU-8 ana kalıbı daha sonra imal edildi ve iki katman arasında <5 μm boşluk mesafesine sahip olduğu gösterildi (Şekil 5).
İki katmanlı ana kalıp (Şekil 7A) daha sonra Şekil 7D'degörülebilen PDMS mikroçiplerini imal etmek için kullanılmıştır. Şekil 7B,C'de görülen SEM görüntüleri, balıksırtı desenli mikroakışkan cihazın, uygun cihaz işlevselliği için gerekli olan net kenarlar, düz kanal duvarları ve iyi hizalanmış katmanlar içerdiğini göstermektedir. Buna ek olarak, çok katmanlı bir ana kalıbın başarılı bir şekilde hizalandığını göstermek için MMAA kullanılarak basit dairesel özelliklere sahip dört katmanlı bir ana kalıp oluşturuldu (Şekil 8A). Profilometre verileri (Şekil 8B) ana kalıbın dört farklı katmanını doğrular. Farklı geometrinin birden fazla dört katmanlı özelliği için elde edilen hizalama hatasının ölçümleri, hizalama hatasının katmanlar arasındaki belirtilen mesafenin% 5'inden büyük olmadığını doğrular. Son cihazın görüntülerinden, ikinci katmanın UV maruziyetinden önce maskenin MMAA'ya sabitlenmesi sırasında insan hatasının iki cihaz katmanı arasındaki boşluk mesafesini artırdığı ve yanlış hizalamaya neden olduğu açıktır. Bununla birlikte, kullanıcı prosedüre daha aşina hale geldikçe, son cihaz, gösterilen sonuçlar tarafından onaylanan 10 μm < bir hizalama hatası ile üretilebilir.
Şekil 1: Çok katmanlı mikrofabrikasyon için 3D yazdırılabilir MMAA tasarımı. Resimde MMAA'nın iki parçası gösterilmektedir: UV pozlama ünitesi ve özel mikroskop bağlantı elemanı. UV pozlama ünitesi, azalan sırada, fotokütleyi gofrete karşı tutan cam üst plakayı barındırır; fotomask; ve fotoresist kaplı gofret. UV pozlama ünitesi daha sonra mikroskop aşamasına bağlı olan özel mikroskop bağlantı elemanına manyetik olarak bağlanır ve daha sonra fotomask ve gofretin düzgün hizalanmasına izin verir. Kısaltmalar: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü; UV = ultraviyole. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Tamamen iyileştirilmiş bir cihaz için bir MMAA'nın özelleştirilmesi ve 3D baskısı ve işlem sonrası. (A) Mevcut UV ışık emisyon sisteminin tepsisinin MMAA'yı özelleştirmek için gerekli ölçümleri gösteren fotoğrafı. Kullanıcı, iç dairesel kenarın çapını (d), iç yüksekliğini (h), toplam genişliği (w) ve tepsinin uzunluğunu (l) ölçmelidir. (B) Özelleştirmeden sonra, MMAA burada gösterildiği gibi tepsinin içinde düz bir şekilde oturmalıdır. (C) FFF 3D baskı işleminin çizimi. FFF prosesi, 3D baskılı filamenti katmanlayarak yapılar üretir. Filament, son 3D baskılı parça üretilene kadar biri diğerinin üstünde olmak üzere ince katmanlarda biriktirilir. (D) Son 3D baskılı MMAA'nın UV kürleme odasında baskı sonrası işlemin bir parçası olarak kürlemesi. Kısaltmalar: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü; UV = ultraviyole; FFF = kaynaşmış filament imalatı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: MMAA'nın 3D Baskılı parçaları. (A) İki parça mıknatıslarla birbirine bağlanmıştır (kırmızı kesikli dikdörtgen ile gösterilir). (B) MMAA ince bir fotoresist tabakası (SU-8) ile kaplanmış silikon gofret içerir. (C) Hizalama işlemine hazırlık için kaplamalı silikon gofret üzerinde fotomask ile MMAA. Kısaltma: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Fotokürenin hizalanması için 3D baskılı bir MMAA kullanma prosedürü. (A) MMAA fotoresist kaplı silikon gofret ile yüklendikten sonra, MMAA daha sonra dik bir mikroskop sisteminin sahnesine yerleştirilir ve görüntüde gösterildiği gibi manyetik mikroskop bağlantı elemanı kullanılarak sahneye sabitlenir. (B) Fotomask daha sonra MMAA'ya yerleştirilir ve görüntüde gösterildiği gibi MMAA'nın yanlarından biri aracılığıyla makas kaldırma olarak bilinen z yönü ayarlama platformuna tutturulur. (C) Makas kaldırma platformu yüksekliği, foto maskesi görüntüde gösterildiği gibi kaplamalı silikon gofretin hemen üzerine yatana kadar ayarlanır. Bu noktadan sonra, hizalama tamamlanana kadar foto maskesi taşınmaz. (D) Mükemmel hizalama elde etmek için, MMAA'nın ve dolayısıyla silikon gofretin mikroskop aşamasındaki konumu, görüntüde gösterildiği gibi mikroskop düğmeleri kullanılarak x ve y yönlerinde ayarlanır. Silikon gofretin x ve y konumları ince bir şekilde ayarlanırken, kullanıcı silikon gofret ve fotokütle üzerindeki hizalama işaretleyicileri üst üste binene kadar mikroskop lensinden gözlemler. Bu başarıldıktan sonra, fotomask daha sonra gofret için sabitlenebilir. (E) Hizalama sağlandıktan sonra, MMAA mikroskop aşamasından dikkatlice ayrılır ve UV ışık maruziyet sisteminin tepsisine yerleştirilir. Tepsi kapatılabilir, böylece gofret fotoresisti iyileştirmek için UV ışınlanmasına maruz kalabilir. Kısaltma: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: MMAA kullanılarak oluşturulan çift katmanlı kanal yapısı. Çift katmanlı ana kalıp, dört paralel kanallı balıksırtı mikroakışkan cihazlarının üretimi için tasarlanmıştır. (A) Kanalların ana hatlarını içeren ve mikroakışkan cihazın içi boş zeminini oluşturan birinci katman fotomask tasarımının görüntüsü. (B) Mikroakışkan cihazın çatısını hizalayan kanalların içindeki balıksırtı desenini içeren ikinci katman fotomask tasarımının görüntüsü. (C) (A) ve (B) kırmızı kesikli dikdörtgenler ile gösterilen çift katmanlı ana kalıbın giriş yapısı. Görüntüde iki katman arasında en az boşluk mesafesi gösterilir. (D) Çift katmanlı ana kalıbın kanalda yeşil kesikli dikdörtgenler (A) ve (B) ile gösterilen bir virajı gösteren bölümü. İki ok arasındaki boşluk mesafesi 5 μm'dir. Ölçek çubukları = 100 μm. Kısaltma: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: MMAA ile mikrofabrikasyon sonuçları. (A) ve (B) foto maskesi üzerindeki işaretleyicilerin hizalamasını gösterir. Ölçek çubukları = 200 μm. (C) ve (D) pozlamadan sonra gofret üzerindeki işaretleyicilerin karşılık gelen görüntüleridir. Ölçek çubukları = 100 μm. Kısaltma: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: MMAA kullanılarak hazırlanan ana kalıp ve ana kalıptan yapılan pdms cihazı. (A) Katmanların hizalamasını sağlamak için MMAA kullanılarak hazırlanan balıksırtı mikroakışkan cihazının çift katmanlı ana kalıbı. (B) ve (C) bel kemiği cihazının alt tabakayı gösteren kırmızı oklarla farklı ölçeklerde SEM görüntüleridir. (D) PDMS mikroakışkan cihaz balıksırtı desenli çift katmanlı ana kalıp kullanılarak yapılmıştır (A). Kısaltmalar: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü; PDMS = poli(dimetilsiloksinan); SEM = taramalı elektron mikroskopisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: MMAA kullanılarak oluşturulan dört katmanlı ana kalıbın görüntü ve profil ölçer verileri. (A) Katmanların başarılı hizalamasını gösteren MMAA kullanılarak oluşturulan dört katmanlı ana kalıbın görüntüsü. MMAA'nın hizalama yeteneğini göstermek için azalan boyutta basit dairesel özellikler seçildi. Ölçek çubuğu = 1.250 μm. (B) Dört ayrı katmanın varlığını doğrulayan aynı dairesel dört katmanlı ana kalıbın profilometre verileri. Kısaltmalar: MMAA = mikroskop maskesi hizalama adaptörü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Esnek Malzeme. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yukarıda belirtilen protokol, bir MMAA'yı 3D yazdırma ve sistemi hassas, çok katmanlı, mikroakışkan bir cihaz ana kalıbı oluşturmak için kullanma prosedürünü özetlemektedir. Cihazın kullanımı kolay olsa da, protokol içinde ana kalıp katmanlarının düzgün hizalamasını sağlamak için uygulama ve özen gerektiren kritik adımlar vardır. İlk kritik adım MMAA'nın tasarımıdır. MMAA'yı tasarlarken, UV ışık maruziyet sistemine uygun bir uyum sağlayacak cihaz için kesin ölçümleri belirlemek önemlidir. Cihazın yanlış hizalanması, ana kalıp özelliklerinin deformitelerini oluşturabilen düzensiz UV ışığına maruz kalmasına neden olabilir. İkinci kritik adım, MMAA'yı kullanırken ana kalıbın birinci ve ikinci katmanlarını hizalarken dikkatli olmaktır. İkinci katman fotomask'ı, kullanıcının fotomask'ı gofret ve MMAA'ya sabitlerken çok dikkat ettiği birinci katman hizalama işaretçileriyle hizalamaktan sonra zorunludur. Mikron boyutlu özellikler, sabitleme sırasında fotokübenin hareketi nedeniyle herhangi bir küçük yanlış hizalamanın, son PDMS cihazını kullanılamaz hale getirebilecek hizalama hataları oluşturabileceği anlamına gelir. Bu nedenle, bu adım MMAA kullanılarak pratikle geliştirilebilen doğruluk gerektirir. Son kritik adım, UV ışığına bile maruz kalmayı sağlamak için fotomask ve kaplamalı gofret arasında boşluk olmadığından emin olmaktır. Çok katmanlı kalıplar oluşturmak için MMAA'yı kullanmadaki bu teknik, iyi hizalanmış katmanları sağlamak için yukarıdaki kritik adımların izlenmesi gerektiğinden, verilen protokolü takip ederken kullanıcının ayrıntısına ve bakımına dikkat edilmesiyle sınırlıdır.
Çok katmanlı mikroakışkan cihazların, geleneksel hizalama ekipmanı mevcut olmadığı sürece çok az hatayla üretilmesi genellikle zordur. Bu ekipman pahalıdır ve hassasiyeti nedeniyle özel eğitim ve tipik olarak daha küçük laboratuvarlar için her zaman mevcut olmayan temiz bir oda ortamı gerektirir. Buna ek olarak, daha önce yayınlanan özel yapım maske hizalayıcıları genellikle birçok farklı parçanın satın alınmasını ve montajını gerektirir, bu da platformları hala üretimi pahalı hale getirebilir ve kullanımı zor12,13,14. MMAA'nın önemi, çok katmanlı mikroakışkan cihaz imalatı için kullanılan standart ekipmanlara kolay üretilebilen ve uygun maliyetli bir alternatif olmasıdır. Ek olarak, MMAA kullanımı için özel bir eğitim gerektirmez, çünkü uygulaması oldukça basittir ve düzenli olarak mikroakışkan cihazlar üreten ve kullanan laboratuvarlarda zaten mevcut olan standart laboratuvar ekipmanlarını kullanır. Bu, küçük ve kaynak sınırlı laboratuvarların gelişmiş işlevselliğe sahip çok katmanlı mikroakışkan cihazlar üretmesini sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Yazarlar, Texas Tech Üniversitesi Dönüştürücü Lisans Deneyimleri Merkezi'ni bu proje için finansman sağladığı için kabul etmek istiyor. Yazarlar ayrıca Texas Tech Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü'nden destek almak istiyor.
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).
