Microfabricage van Chip-en kleinbedrijf Stellingen voor drie-dimensionale celkweek

Summary

We presenteren twee processen voor de microfabricage van poreuze polymeer chips voor drie-dimensionale celkweek. De eerste is hot embossing gecombineerd met een damp van oplosmiddelen lasproces. De tweede maakt gebruik van een recent ontwikkelde microthermoforming proces in combinatie met ion-Track technologie leidt tot een aanzienlijke vereenvoudiging van de productie.

Abstract

Het gebruik van microfabricage technologie is een voorwaarde om steigers van reproduceerbare geometrie en constante kwaliteit voor de drie-dimensionale celkweek te creëren. Deze technologieën bieden een breed spectrum van voordelen, niet alleen voor de productie, maar ook voor verschillende toepassingen. De grootte en de vorm van clusters gevormd cel kan worden beïnvloed door de exacte en reproduceerbare architectuur van de microfabricated steiger en dus de verspreiding weglengte van voedingsstoffen en gassen kunnen worden controlled.1 Dit is zonder twijfel een nuttig instrument om apoptose en necrose van voorkomen cellen als gevolg van een onvoldoende voedingsstoffen en gasvoorziening of verwijdering van cellulaire metabolieten.

Onze polymeer chip, genaamd CellChip, heeft de afmetingen van 2 x 2 cm met een centrale microstructured gebied. Dit gebied is onderverdeeld in een serie van maximaal 1156 microcontainers met een typische afmeting van 300 m kantlengte voor de kubieke ontwerp (cp-of CF-chip) of van 300 m diameter en diepte voor de ronde ontwerp (r-chip). 2

Tot nu toe was warm pregen of micro spuitgieten (in combinatie met de daaropvolgende moeizame bewerking van de onderdelen) gebruikt voor de fabricage van de microstructured chips. In principe, micro-spuitgieten is een van de weinige polymeer gebaseerde replicatie technieken die, tot nu toe in staat is voor massaproductie van polymeer microstructures.3 Echter, beide technieken hebben bepaalde ongewenste beperkingen als gevolg van de verwerking van een viskeuze polymeersmelt met de generatie van zeer dunne muren of geïntegreerd door middel van gaten. In het geval van de CellChip, dunne onderste lagen zijn nodig om het polymeer perforeren en kleine poriën van de gedefinieerde grootte te bieden naar de cellen te voorzien van kweekmedium, bijvoorbeeld door microfluïdische perfusie van de containers.

Om deze beperkingen te overwinnen en de productiekosten hebben we een nieuwe microtechnische aanpak ontwikkeld op basis van een down-schaal thermovormen proces te verminderen. Voor de productie van zeer poreus en dunwandige polymeer chips, gebruiken we een combinatie van zware ionenbestraling, microthermoforming en track etsen. In deze zogenaamde "SMART"-proces (Substrate Wijziging en replicatie door thermovormen) dunne polymere films zijn bestraald met energetische zware projectielen van enkele honderden MeV introductie van de zogenaamde "latente tracks" Vervolgens wordt de film in een rubber elastiek staat gevormd in drie dimensionale delen zonder te wijzigen of te gloeien van de tracks. Na de vorming proces, selectief chemisch etsen zet tenslotte de tracks in de cilindrische poriën van verstelbare diameter.

Protocol

Proces Sequence # 1: Hot Embossing, Bewerking en Solvent Vapour Lassen

De CellChip in zijn kubieke ontwerp wordt gerepliceerd door hot embossing of micro spuitgieten. Hiervoor maken we gebruik van een micromachined koperen mal met de inverse geometrie van de chip. De containers - gerangschikt in een regelmatige reeks van maximaal 1156 containers - hebben een kubieke ontwerp met een kantlengte van 300 micrometer. Voor warme embossing, is het replicatie-proces uitgevoerd op een conventionele WUM02 (Jenoptik Mikrotechnik, Duitsland). De tool bestaat uit twee ronde metalen platen. In een eerste stap wordt een dunne PMMA plaat (Lucryl, G77Q11, BASF) in het midden van de onderste plaat van de geopende tool. De microstructured mal insert is centrisch gemonteerd in de bovenste plaat. Dan is de tool is gesloten voor evacuatie van de mal en verwarmd tot een temperatuur boven de glasovergangstemperatuur van het polymeer. Door het indrukken van de platen bij elkaar, is de viskeuze polymeer geduwd in de geëvacueerde holtes tot ze volledig gevuld precies repliceren de geometrie van de mal. Na afkoeling van de tool kan de microstructured polymeer deel worden ontvormd. Het proces vereist meer polymeer massa dan eigenlijk nodig is om de vormholten te vullen. Het polymeer overschot vormt een resterende laag die kan worden gebruikt om het ontvormen van het onderdeel te verlichten. Echter, het creëren van poriën met een diameter kleiner dan 3 micrometer in de bodem van de containers, de dikke laag residu moet worden verdund, of zelfs geheel verwijderd en vervangen door een poreus membraan. Ter vereenvoudiging van het proces van porie integratie, is de achterkant van de gerepliceerde CellChip volledig verwijderd door het bewerken met een diamant molen. Hiervoor worden de onderdelen bevestigd op een gekoelde montageplaat en, bovendien, de fragiele structuren zijn bevroren in gedemineraliseerd water om hen te beschermen tegen beschadiging.

In een laatste processtap, eindelijk een commerciële ion spoor geëtst membraan (polycarbonaat, dikte 10 micrometer, poriegrootte 3 micrometer, 2x10 ⁶ poriën / cm ², Pieper Filter GmbH) is gebonden aan de achterkant van de reeks van containers nu geopend, zowel op boven-en onderkant. De hechting proces is een damp van oplosmiddelen lasproces uitgevoerd in een gasdicht, verwarmde kamer [Fig. 1], bestaande uit een boven-zuiger en een beweegbare onderste plaat met een geïntegreerd vacuüm boorkop. ⁴ Tot vier bewerkte CellChips en track-geëtst membranen worden blootgesteld parallel aan een verdampt oplosmiddel na de kamer was geëvacueerd. Vervolgens worden de gegoten onderdelen en de membranen bij elkaar gedrukt door de bovenste zuiger. Na een korte periode van blootstelling (<15 s), is de kamer geëvacueerd weer waardoor het verwijderen van het oplosmiddel. Vanwege het korte contact tijd, is alleen aan de oppervlakte in de buurt van materiaal opgelost en een vervorming van de bulk-structuur te wijten aan de mechanische belasting kan worden vermeden. Tot slot wordt de kamer geopend en het oplosmiddel gelaste CellChips kan worden verwijderd en voorbereid voor celcultuur [Fig. 2].

Figuur 1.

Figuur 2.

Proces Sequence # 2: zware ionenbestraling, microthermoforming en track etsen (SMART proces)

Het nieuwe proces heet SMART is een recent ontwikkelde micro-technologie voor de productie van gefunctionaliseerde membraan-achtige microstructuren. ⁵ De technologie is gebaseerd op een microtechnische thermovormen proces, genaamd 'microthermoforming'. ^6,7 In deze centrale processtap, die werd overgenomen van de macroscopische gevangen blad thermovormen proces, is een verwarmd dunne polymeerfilm gevormd in zijn verzacht, rubber elastisch staat door gasdruk in een matrijsholte [Fig. 3]. In tegenstelling tot de hot embossing of spuitgieten, dit proces is niet een primaire vormen en het polymeer is niet gesmolten. Vanwege het feit dat de film nog steeds is gevormd in een solid state met een permanente materiaal cohesie, kunnen belangrijke aanpassingen met hoge laterale resolutie eerst worden gegenereerd op vlakke polymeerfilms en worden bewaard gedurende het vormingsproces. Na de microthermoforming stap, kunnen deze wijzigingen verder selectief worden verwerkt, bijvoorbeeld door natte chemische behandeling.

Figuur 3

De SMART-proces in principe bestaat uit drie processtappen:

1. creëren van sterk opgelost wijziging patronen op vlakke dunne polymere films in een pre-proces
2. 3D Shaping van de films van microthermoforming zonder verlies van (een patroon) wijzigingen
3. post-proces (optioneel) voor een laatste functionalisering van dunwandige microstructured onderdelen

De SMART proces dat we op dit moment van toepassing voor de fabricage van poreuze CellChips omvat de volgende processtappen [Fig. 4]. Een dunne polymeerfilm, bijvoorbeeld van polycarbonaat (Pokalon OG461Gl, 50 urn, LoFo High Tech Film GmbH, Duitsland), wordt bestraald met versnelde zware ionen (zoals Xe, Au of U ionen) op het gaspedaal faciliteiten van GSI (Darmstadt, Duitsland) met energieën van ca.. 1 GeV en fluences in de orde van 106 ⁸ Na het afkoelen van de tool kan de dunne ommuurde deel worden ontvormd. ionen / cm ². Bij het betreden door de film, elk ion levert een bijna rechte spoor van gemodificeerd materiaal, de zogenaamde latente track. De pre-behandelde films worden dan thermisch tot een reeks van 25x25 dunwandige microcontainers, elk met een diameter en diepte van 300 micrometer. Het proces is op dit moment uitgevoerd op een aangepaste warme droogstempel [Fig. 5], waar de polymeerfilm is ingeklemd tussen twee metalen platen. De bovenste plaat is uitgerust met de micromachined matrijs en de onderste bevat de druk en vacuüm aansluitingen. De film wordt uitgerekt in eerder geëvacueerd microcavities van de mal door stikstof met een druk van maximaal 5 MPa. De films worden gevormd de buurt van hun glasovergangstemperatuur voorkomen spoor gloeien.

Figuur 4

Figuur 5

In een post-proces worden de ionen tracks selectief geëtst om poriën door onderdompeling van de hele microstructuur in een geschikt medium ets (bijv. 5 Mol / L NaOH, 10% w / v MeOH). Door het beheersen van de ets tijden en etsen omstandigheden, zoals concentratie, temperatuur en speciale toevoegingen (bijv. etsen promotors), kan de grootte en de vorm van de resulterende poriën worden aangepast [Fig. 6].

Figuur 6

Discussion

Hoewel de methoden voor de polymeer microreplicatie, zoals micro-spuitgieten of warme embossing, zijn geschikt voor het produceren van microstructuren, ze zijn niet echt effectief in het produceren van microstructuren met een geïntegreerde en een sterk gecontroleerde porositeit, zoals nodig is voor de CellChip. Grof structuren bijvoorbeeld kostbare bewerking van de wand dikte te verminderen voor een volgend laser perforatie of muren moeten volledig worden vervangen door track-geëtst membranen. SMART is een nieuwe en veelbelovende technologie die kan overwinnen van deze problemen en is geschikt voor massaproductie. Perspectieven zijn productie van dunwandige microstructuren bij hoofdelijke gevoerd, vergelijkbaar met productielijnen voor macroscopische onderdelen. Bovendien is de vorming van polymeer films in een rubberen elastische toestand biedt de kans niet alleen gedefinieerd poriën over de structuur (waaronder verticale zijwanden) te creëren, maar ook om microstructuren te voorzien van een zeer opgelost functionalisering, zoals bio-actieve oppervlak patronen, coatings, en topologieën zelfs in moeilijk toegankelijk is, bijvoorbeeld, microfluïdische holten.