La microfabrication de Chip entreprises Échafaudages pour la culture cellulaire en trois dimensions

Summary

Nous présentons deux procédés pour la microfabrication de puces polymère poreux pour la culture cellulaire en trois dimensions. Le premier est gaufrage à chaud combiné avec un processus de soudage à la vapeur de solvant. Le second utilise un procédé développé récemment microthermoforming combinée à la technologie d'ions piste menant à une simplification significative de la fabrication.

Abstract

En utilisant des technologies de microfabrication est un prérequis pour créer des échafaudages de la géométrie reproductible et une qualité constante pour la culture cellulaire en trois dimensions. Ces technologies offrent un large éventail d'avantages non seulement pour la fabrication mais aussi pour des applications différentes. La taille et la forme d'amas cellulaires formés peuvent être influencés par l'architecture exacte et reproductible de la microfabriqué échafaudage et, par conséquent, la longueur du chemin de diffusion des nutriments et des gaz peuvent être controlled.1 C'est incontestablement un outil utile pour empêcher l'apoptose et nécrose des cellules en raison d'un nutriment insuffisant et la fourniture de gaz ou de l'élimination des métabolites cellulaires.

Notre puce polymère, appelé CellChip, a les dimensions extérieures de 2 x 2 cm avec une zone centrale microstructurée. Cette zone est subdivisée en un tableau d'un maximum de 1156 microcontainers avec une dimension typique de 300 m longueur de bord pour la conception cubes (cp-ou CF-chip) ou de 300 m de diamètre et la profondeur de la conception ronde (r-chip). 2

Jusqu'ici, l'embossage à chaud ou à micro-injection (en combinaison avec d'usinage laborieuses ultérieures des parties) a été utilisé pour la fabrication des puces microstructurée. Fondamentalement, la micro injection est une des techniques de polymère seul réplication basée que, jusqu'à présent, est capable d'une production de masse de polymère microstructures.3 Toutefois, les deux techniques ont certaines limitations indésirables dus au traitement d'un polymère visqueux fondre avec la génération des parois très minces ou intégrés à travers les trous. Dans le cas de l'CellChip, des couches minces en bas sont nécessaires pour perforer le polymère et de fournir de petits pores de taille définie à l'approvisionnement des cellules avec par exemple un milieu de culture par perfusion microfluidique des conteneurs.

Afin de surmonter ces limitations et de réduire les coûts de fabrication, nous avons développé une nouvelle approche microtechniques sur la base d'un processus de bas-échelle de thermoformage. Pour la fabrication de très poreux et mince paroi puces polymères, nous utilisons une combinaison de l'irradiation d'ions lourds, microthermoforming et gravure piste. Dans ce soi-disant «SMART» du processus (modification du substrat et de la réplication par thermoformage) des films minces de polymère sont irradiés avec énergiques projectiles lourds de plusieurs centaines de MeV introduisant soi-disant «pistes latente» Par la suite, le film dans un état de caoutchouc élastique est formé en trois pièces dimensions sans modifier ou de recuit les pistes. Après le processus de formation, la gravure chimique sélective convertit enfin les pistes dans les pores cylindriques d'un diamètre réglable.

Protocol

Séquence Process # 1: embossage à chaud, d'usinage et de soudage de vapeur de solvant

Le CellChip dans son design cubique est répliqué par estampage à chaud ou micro injection. Pour cela, nous utilisons un moule en laiton usinés avec la géométrie inverse de la puce. Les conteneurs - disposés en un réseau régulier de jusqu'à 1156 conteneurs - ont un design cubique avec une longueur d'arête de 300 um. Pour embossage à chaud, le processus de réplication est effectuée sur un WUM02 classiques (Jenoptik Mikrotechnik, Allemagne). L'outil se compose de deux plaques métalliques circulaires. Dans un premier temps, une fine plaque de PMMA (Lucryl, G77Q11, BASF) est placé dans le centre de la plaque inférieure de l'outil ouvert. L'insert de moule microstructuré est centriquement monté dans la plaque supérieure. Ensuite, l'outil est fermé pour l'évacuation du moule et chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse du polymère. En appuyant sur les plaques les unes, le polymère visqueux est poussé dans les cavités évacués jusqu'à ce qu'ils soient complètement remplis précisément reproduisant la géométrie du moule. Après refroidissement de l'outil, la partie microstructurées polymère peut être démoulé. Le processus exige une plus grande masse de polymère que sont réellement nécessaires pour remplir les cavités du moule. L'excédent polymère forme une couche résiduelle qui peut être utilisé pour faciliter le démoulage de la pièce. Toutefois, pour créer des pores de diamètre inférieur à 3 um dans le fond des récipients, l'épaisse couche résiduelle doit être aminci, voire totalement supprimée et remplacée par une membrane poreuse. Pour simplifier le processus d'intégration des pores, l'arrière de la CellChip répliqué est complètement enlevée par usinage avec un moulin à diamant. Pour cela, les pièces sont fixées sur une plaque refroidie de montage et, en outre, les structures fragiles sont congelés dans de l'eau déminéralisée pour les protéger contre les dommages.

Dans une étape du processus dernière, enfin, un ion commerciales track-etched membrane (polycarbonate, épaisseur 10 microns, la taille des pores 3 um, 2x10 ⁶ pores / cm ², Pieper Filter GmbH) est collée à l'arrière du tableau de conteneurs maintenant ouvert à la fois sur haut et en bas. Le processus de collage est un procédé de soudage des vapeurs de solvants réalisés dans une étanche, chambre chauffée [Fig. 1], composé d'un piston supérieure et une plaque mobile inférieure avec un mandrin à vide intégrée. ⁴ Jusqu'à quatre CellChips usinées et track-etched membranes sont exposées en parallèle à un solvant vaporisé après la chambre a été évacuée. Ensuite, les pièces moulées et les membranes sont pressées par le piston supérieur. Après une courte période d'exposition (<15 s), la chambre est évacué à nouveau ce qui élimine le solvant. En raison de la courte durée de contact, seulement près de la surface du matériel est dissoute et une déformation de la structure en vrac à cause de la charge mécanique peut être évitée. Enfin, la chambre est ouverte et le solvant CellChips soudés peuvent être prélevés et préparés pour la culture cellulaire [Fig. 2].

Figure 1.

Figure 2.

Séquence Process # 2: irradiation aux ions lourds, microthermoforming et gravure de piste (processus SMART)

Le nouveau processus appelé SMART est une technologie récemment développée pour la fabrication de micro-fonctionnalisés de type membranaire microstructures. ⁵ La technologie est basée sur un processus de thermoformage microtechniques, appelé «microthermoforming ^'6,7. Dans cette étape du processus central, qui a été adaptée de l'échelle macroscopique piégées processus de feuille de thermoformage, une fine pellicule chauffée polymère est formé dans son adouci, caoutchouc état élastique par la pression du gaz dans une cavité du moule [Fig. 3]. Contrairement à gaufrage chaud ou le moulage par injection, ce processus n'est pas une forme primaire et le polymère n'est pas fondu. En raison du fait que le film est formé toujours dans un état solide avec une cohésion permanente du matériel, des modifications matérielles à haute résolution latérale peut d'abord être générés sur des films polymères planaires et sont conservés tout au long du processus de formage. Après l'étape de microthermoforming, ces modifications peuvent encore être traitées de manière sélective, par exemple, par un traitement chimique par voie humide.

Figure 3

Le processus dans son principe SMART se compose de trois étapes:

1. création de modèles de modification hautement résolues sur le plan des films de polymère mince dans un processus de pré-
2. 3D ShapING de films de microthermoforming sans perte de (motif) des modifications
3. post-traitement (en option) pour une fonctionnalisation finale de pièces à parois minces microstructurées

Le processus de Smart, nous appliquons actuellement pour la fabrication de CellChips poreuse comprend les étapes suivantes [Fig. 4]. Un film mince de polymère, par exemple, à partir de polycarbonate (Pokalon OG461Gl, 50 um, Lofo High Tech Film GmbH, Allemagne), est irradié par des ions lourds (tels que les Xe, Au ou des ions U) à ses installations d'accélérateur du GSI (Darmstadt, Allemagne) avec des énergies d'env. 1 GeV et fluences de l'ordre de 106 ⁸ Après refroidissement de l'outil, la partie à parois minces peuvent être démoulées. ions / cm ². En pénétrant à travers le film, chaque ion produit un sentier presque rectiligne de matière modifiée, appelée piste latente. Les films pré-traitées sont ensuite thermoformé à un tableau de 25x25 minces parois microcontainers, chacun avec un diamètre et une profondeur de 300 um. Le processus est actuellement réalisée sur une presse de gaufrage à chaud modifiés [Fig. 5], où le film de polymère est serré entre deux plaques de métal. La plaque supérieure est équipée de micro-usinés le moule et la partie inférieure contient la pression et connecteurs sous vide. Le film est étiré en microcavités préalablement évacués du moule par l'azote avec une pression de 5 MPa. Les films sont formés près de leur température de transition vitreuse prévenir suivre recuit.

Figure 4

Figure 5

Dans un post-traitement, les pistes d'ions sont gravé sélectivement aux pores en immergeant la microstructure ensemble dans un milieu gravure approprié (par exemple, 5 mol / L NaOH, 10% p / v MeOH). En contrôlant le temps de gravure et la gravure des conditions, telles que la concentration, la température et des additifs spéciaux (par exemple, les promoteurs Etch), la taille et la forme des pores qui en résulte peut être ajustée [Fig. 6].

Figure 6

Discussion

Bien que les méthodes établies de microreplication polymère, tels que les micro injection ou gaufrage à chaud, sont aptes à la production des microstructures, ils ne sont pas vraiment efficace dans la production de microstructures avec un système intégré et hautement porosité contrôlée, comme cela est nécessaire pour la CellChip. Structures encombrants par exemple nécessitent un usinage coûteux de réduire l'épaisseur de mur pour une perforation au laser ultérieurs ou les murs doivent être complètement remplacés par des track-etched membranes. SMART est une technologie nouvelle et prometteuse qui peut surmonter ces problèmes et est adapté pour la production de masse. Perspectives incluent la fabrication de parois fines microstructures par le rouleau alimenté, semblables à des lignes de production de pièces macroscopiques. Par ailleurs, la formation de films de polymère dans un état de caoutchouc élastique offre la possibilité non seulement de créer des pores définis dans toute la structure (y compris les parois latérales verticales) mais aussi de fournir des microstructures avec un fonctionnalisation hautement résolues, comme les schémas de surface bioactifs, les revêtements, et les topologies même à l'intérieur difficilement accessibles, par exemple, les cavités microfluidiques.