芯片尺寸支架的三维细胞培养的微细

Summary

我们提出了两个过程的三维细胞培养的微细多孔聚合物芯片。第一个是与溶剂蒸气的焊接工艺相结合的热压。第二个使用最近开发microthermoforming过程中，结合离子跟踪技术，导致生产的一个显着简化。

Abstract

使用微细加工技术是一个先决条件，以创建重复的几何和稳定的质量，为三维细胞培养的支架。这些技术提供了广泛的优势，不仅制造业，而且针对不同的应用。形成的细胞团的大小和形状可以由微型支架的准确和可重复性的结构，因此，营养物质和气体的扩散路径长度可以controlled.1这无疑是一个有用的工具，以防止细胞凋亡和坏死的影响由于足够的营养和天然气供应或清除细胞代谢产物的细胞。

我们的聚合物芯片，称为CellChip，2 × 2厘米，中央微结构区域的外部尺寸。这个区域被细分成一个阵列可达1156立方米的设计（CP - CF -芯片）的边缘长度300米或300米，直径和深度为圆形设计（R -芯片）的典型尺寸microcontainers。 2

到目前为止，热压或微注射成型（费力的部分与后续加工的组合）是用于制造的微结构芯片。基本上，微注射成型是一个唯一的聚合物为基础的复制技术，到现在为止，能够大规模生产聚合物microstructures.3但是，这两种技术由于一种粘性聚合物加工有一定的不必要的限制，熔体与一代非常薄的墙壁或集成的通孔。薄底层CellChip的情况下，有必要穿孔的聚合物，并提供定义大小的小毛孔供应培养基如细胞微流体灌注的容器。

为了克服这些局限性，我们开发了一个按比例缩小的热成型过程的基础上一个新的microtechnical方法来降低制造成本。我们高度多孔薄壁聚合物芯片制造，使用相结合的重离子辐照，microthermoforming和跟踪蚀刻。在这个所谓的“智能”的过程（成型）薄的聚合物薄膜基板的修改和复制，以饱满的几百MeV的重引进所谓的弹丸照射“潜伏跟踪”随后，在橡胶弹性状态的薄膜形成三成三维零件，而无需修改或退火的轨道。选择性化学蚀刻的形成过程后，最终转化成可调直径的圆柱毛孔的轨道。

Protocol

工艺顺序＃1：热压，加工和溶剂蒸气焊接

CellChip立方米的设计是复制热压或微注射成型。对于这一点，我们使用的芯片的逆几何微加工黄铜模具。容器 - 1156容器的定期阵列排列 - 立方米的设计与边的长度为300微米。对于热压印，在复制过程中执行一个常规WUM02（Mikrotechnik德国耶拿，德国）。该工具由两个圆形的金属板。薄PMMA板（Lucryl，G77Q11，巴斯夫）在第一个步骤，是摆在中心的下盘打开工具。微结构模具插入centrically安装在上盘。然后，该工具是封闭疏散模具加热到的温度高于聚合物的玻璃化转变温度。按板块一起，粘性聚合物的疏散腔推入，直至完全充满精确复制模具的几何形状。冷却后的工具，微结构的聚合物的一部分可以脱模。这个过程需要更多的聚合物质量比实际需要填充模腔。聚合物盈余形成了残积层，可用于缓解部分脱模。然而，创建毛孔直径小于3微米在容器的底部，厚的残积层减薄，甚至完全删除，改为由多孔膜。为了简化孔隙一体化进程，复制CellChip背面是完全由加工用金刚石磨删除。对于这一点，部分是固定在冷却的安装板，此外，脆弱的结构在去离子水冻结，以保护他们免受损害。

在一个最后的过程步骤，最后一个商业离子轨道的蚀刻膜（聚碳酸酯，厚度10微米，孔隙的大小3微米，2X10 ⁶毛孔/厘米²，皮佩尔过滤器有限责任公司）是保税容器数组的后面现在打开都上顶部和底部。粘接工艺是溶剂蒸汽气密性，加热室[图进行的焊接工艺。 1]，由上层的柱塞和一个可移动的下盘与集成的^真空吸盘4四个加工CellChips和跟踪蚀刻膜暴露在平行到蒸发溶剂后室被疏散。然后，成型零件和膜压在一起，由上层的柱塞。经过短时间的曝光（<15秒），室疏散再次从而消除溶剂。由于接触时间短，只有附近材料的表面溶解，可避免由于机械负载的散装结构的变形。最后，香港总商会是开放的和可去除溶剂焊接CellChips和细胞培养[图编制。 2]。

图1。

图2。

工艺顺序＃2：重离子辐照，microthermoforming和跟踪蚀刻（智能流程）

新工艺，所谓的智能是最近发展起来的的制造类似功能化膜微观结构的^微处理技术，5该技术是基于一个microtechnical热成型过程被称为“microthermoforming”，在这个^中心的过程步骤。6,7，这是从宏观适应被困表热成型过程中，形成了激烈的高分子薄膜气体进入模腔[图压力软化，橡胶弹性状态。 3]。与热压成型或注射成型，这个过程是不是一个主要的形成和不熔化的聚合物。由于与永磁材料的凝聚力，电影仍然是形成一个固态，材料具有较高的横向决议修改可以先产生平面聚合物薄膜，整个形成过程中保留。 microthermoforming步骤后，这些修改可进一步选择性地处理，例如，湿化学处理。

图3

SMART原则的过程包括三个工艺步骤：

1. 高度解决的修改模式平​​面薄的聚合物薄膜在预处理过程中的创造
2. 3D十八ING的电影不损失（图案）修改microthermoforming
3. 后处理（可选）为薄壁微结构零件的最终functionalisation

我们目前正在申请制造多孔CellChips智能流程包括以下工艺步骤[图。 4]。一个薄的聚合物薄膜，如聚碳酸酯（Pokalon OG461Gl，50微米，LoFo高科技电影公司，德国），照射加速的重离子加速器设施GSI的（如XE，凹或U离子）（达姆施塔特，德国）与能量约。 1 GeV的能量密度在冷却后的工具，106 ⁸顺序，薄壁部分可脱模。离子/平方厘米。每个离子渗透通过薄膜时，生产的改性材料几乎笔直的步道，称为潜轨道。经过预处理的电影，然后热成型25X25薄壁microcontainers，每个的直径和深度为300微米的阵列。该进程正在执行修改后的热压机[图。 5]，其中的聚合物薄膜夹在两个金属板之间。极板上部装有微机械模具和下包含的压力和真空接头。这部电影是以前撤离的微腔的模具，拉伸成氮气至5兆帕的压力。附近的玻璃化转变温度防止跟踪退火形成的薄膜。

图4

图5

在后处理过程中，离子的选择性蚀刻到毛孔浸入到一个合适的蚀刻介质（例如，5摩尔/ L的NaOH，10％W / V甲醇）的整个微观结构。通过控制蚀刻时间，蚀刻条件，如浓度，温度和特殊的添加剂（如蚀刻发起人），造成毛孔的大小和形状可以调整[图。 6]。

图6

Discussion

虽然聚合物微复制，如微注射成型或热压，建立的方法是适用于生产微观结构，它们没有真正有效的生产与一个综合性和高度控制的孔隙度的微观结构，为CellChip需要。体积庞大的结构，例如需要昂贵的加工，以减少后续的激光穿孔壁厚或墙壁轨道蚀刻膜是完全取代。 SMART是一个新的和有前途的技术，可以克服这些问题，并且适合大批量生产。展望包括制造薄壁的微观结构，滚美联储，类似的宏观部分生产线。此外，在橡胶弹性状态聚合物薄膜的形成提供了机会，不仅要建立各地的结构（包括垂直侧墙）定义的毛孔也提供一个高度解决functionalisation，如生物活性的表面图案，涂料，显微，拓扑甚至在难以进入的，例如，微流体腔。