Summary
אנו מציגים שני תהליכים עבור microfabrication של שבבי פולימרי נקבובי לעיבוד תלת ממדי התא. הראשון הוא הבלטות חם בשילוב עם תהליך אדי ריתוך ממס. השני משתמש בתהליך microthermoforming פיתחה לאחרונה בשילוב עם טכנולוגיית מעקב יון המוביל פישוט משמעותי של ייצור.
Abstract
שימוש בטכנולוגיות microfabrication היא תנאי הכרחי כדי ליצור פיגומים לשחזור של הגיאומטריה ואת איכות מתמדת לטיפוח תלת מימדי התא. טכנולוגיות אלה מציעים קשת רחבה של יתרונות לא רק ייצור אלא גם עבור יישומים שונים. הגודל והצורה של צבירי תאים נוצרו יכול להיות מושפע ארכיטקטורה המדויק לשעתקו של הפיגום microfabricated, ולכן הדרך אורך דיפוזיה של חומרים מזינים וגזים ניתן controlled.1 זהו ללא ספק כלי שימושי כדי למנוע אפופטוזיס ו נמק של בשל מזין מספיק אספקת גז או הסרה של תאים מטבוליטים הסלולר.
שבב פולימר שלנו, שנקרא CellChip, יש את הממדים החיצוניים של 2 x 2 ס"מ עם שטח microstructured המרכזית. אזור זה מחולק מערך של עד 1156 microcontainers עם מימד אופייני של 300 מ 'אורך קצה לעיצוב מעוקב (CP-CF או שבב) או בקוטר של 300 מ' עומק לעיצוב עגול (r-chip). 2
עד כה, הבלטות חמים או מיקרו הזרקה (בשילוב עם עיבוד מייגע הבאות של החלקים) שימש עבור ייצור של שבבי microstructured. בעיקרון, מיקרו הזרקה היא אחת הטכניקות רק פולימר שכפול מבוסס, עד עכשיו, הוא מסוגל לייצור המוני של פולימר microstructures.3 עם זאת, טכניקות לשניהם יש מגבלות לא רצויות מסוימות בשל העיבוד של פולימר צמיגה להמיס עם הדור הקירות דקים מאוד או משולב דרך החורים. במקרה של CellChip, שכבות תחתית דקה נחוצים כדי לנקב את הפולימר לספק נקבוביות קטנות בגודל מוגדר לספק תאים עם לדוגמא בינוני התרבות על ידי זלוף microfluidic של המכולות.
על מנת להתגבר על המגבלות האלה וכדי להקטין את עלויות הייצור פיתחנו גישה microtechnical חדש על בסיס תהליך למטה scaled Thermoforming. עבור ייצור של שבבי חומה נקבובי מאוד דק פולימרי, אנו משתמשים בשילוב של קרינה יונים כבדים, microthermoforming ותחריט המסלול. בכל התהליך הזה שנקרא "סמארט" (שינוי המצע על ידי שכפול Thermoforming) סרטים פולימרי דק הם מוקרן עם קליעים כבדים האנרגטי של MeV כמה מאות מציגה שנקרא "רצועות סמוי" לאחר מכן, הסרט במצב גומי אלסטי נוצר לשלושה חלקים ממדי ללא שינוי או חישול את הרצועות. לאחר תהליך גיבוש, תחריט כימיים סלקטיבית ולבסוף ממירה את רצועות לתוך הנקבוביות גלילי בקוטר מתכווננת.
Protocol
תהליך רצף מס '1: הבלטות שבבי חם, וגם מרכך ריתוך Vapour
CellChip בעיצוב מעוקב שלה הוא משוכפל על ידי הבלטה חמה או מיקרו הזרקה. לשם כך, אנו משתמשים עובש פליז micromachined עם גאומטריה ההופכי של השבב. מכולות - מסודרים מערך קבוע של עד 1,156 מכולות - יש עיצוב מעוקב עם אורך יתרון של 300 מיקרומטר. עבור הבלטות חם, תהליך השכפול מבוצע על WUM02 קונבנציונאלי (Jenoptik Mikrotechnik, גרמניה). הכלי מורכב משני לוחות מתכת עגולים. בשלב ראשון, צלחת דק PMMA (Lucryl, G77Q11, BASF) ממוקם במרכז הצלחת התחתון של הכלי נפתח. להכניס את התבנית microstructured מותקן centrically בצלחת העליון. לאחר מכן בכלי סגור לפינוי של עובש ו מחומם לטמפרטורה מעל הטמפרטורה זכוכית המעבר של הפולימר. על ידי לחיצה על צלחות ביחד, הפולימר צמיגה נדחף לתוך החללים פונו עד שהם מלאים לגמרי בדיוק משכפלים את הגיאומטריה של התבנית. לאחר הקירור הכלי, החלק microstructured פולימר ניתן demoulded. התהליך דורש מסה פולימר יותר נחוץ למעשה כדי למלא את החללים עובש. העודף הפולימר יוצר שכבת שיורי אשר ניתן להשתמש בהם כדי להקל על demoulding של החלק. עם זאת, כדי ליצור נקבוביות בקוטר קטן יותר מאשר 3 מיקרומטר התחתון של המכולות, שכבת שיורי עבה צריך להיות דליל למטה, או אפילו להסיר לחלוטין והוחלפו על ידי קרום נקבובי. כדי לפשט את תהליך האינטגרציה הנקבוביות, גב CellChip משוכפל נמחק לחלוטין על ידי מכונות עם טחנת יהלום. לשם כך, החלקים שתוקנו על צלחת הרכבה התקרר, בנוסף, המבנים שביר מוקפאות במים deionised כדי להגן עליהם מפני נזק.
בשלב תהליך שעבר, סוף סוף יון מסחרי לעקוב חרוט קרום (פוליקרבונט, 10 עובי מיקרומטר, נקבוביות 3 מיקרומטר בגודל 2x10 6 נקבוביות / סמ"ר, פייפר סינון GmbH) הוא קשור האחורי של המערך מכולות עכשיו נפתח גם על העליון והתחתון. תהליך מליטה היא תהליך ריתוך ממס אדי ביצע בתא, gastight מחומם [איור. 1], בהיקף של הבוכנה העליון צלחת נמוך ניד עם צ'אק ואקום משולבת. 4 עד ארבעה CellChips במכונה ולעקוב אחר חרוט ממברנות נחשפים במקביל ממס מתאדה לאחר קאמרית פונתה. ואז, החלקים יצוק ואת הקרומים הם צמודים זה לזה על ידי הבוכנה העליון. לאחר תקופה קצרה של חשיפה (<15 ים), החדר הוא פונה שוב ובכך להסיר את הממס. בשל הזמן הקצר מגע, רק פני השטח ליד החומר המומס עיוות של מבנה בתפזורת בשל העומס המכני ניתן להימנע מכך. לבסוף, החדר נפתח CellChips מרותך ממס ניתן להסיר מוכן תרבית תאים [איור. 2].
באיור 1.
איור 2.
תהליך רצף מס '2: הקרנה יונים כבדים, microthermoforming ותחריט מסלול (תהליך SMART)
התהליך החדש נקרא SMART היא טכנולוגיה שפותחה לאחרונה מיקרו לייצור פונקציונליות קרום דמוי microstructures. 5 הטכנולוגיה מבוססת על תהליך thermoforming microtechnical, שנקרא "microthermoforming". 6,7 בשלב זה תהליך מרכזי, אשר הותאמה מן מאקרוסקופיים לכודים תהליך גיליון Thermoforming, סרט דק מחומם פולימר נוצר ב מרוככת למצבו גומי אלסטי ידי לחץ גז לתוך חלל עובש [איור. 3]. בניגוד הבלטות חם או הזרקה, תהליך זה אינו להרכיב הראשי הפולימר אינו נמס. בשל העובדה כי הסרט נוצר עדיין עם לכידות חומר קבוע במצב מוצק, שינויים בחומר עם רזולוציות גבוהות לרוחב יכולה להיות הראשון שנוצר על מישוריים סרטים פולימר נשמרים לאורך כל תהליך גיבוש. לאחר השלב microthermoforming, שינויים אלה יכול להיות מעובד יותר סלקטיבי, למשל, על ידי טיפול כימי רטוב.
איור 3
תהליך SMART עקרונית מורכב משלושה שלבי התהליך:
- יצירת דפוסים שינוי החליט על דק מאוד סרטים מישוריים פולימר בתהליך מראש
- 3D shaping של סרטים על ידי microthermoforming ללא אובדן (בדוגמת) שינויים
- לאחר תהליך (אופציונלי) עבור functionalisation סופי דק דופן חלקים microstructured
תהליך SMART אנחנו כרגע החלת עבור ייצור של CellChips נקבובי כולל את השלבים הבאים בתהליך [איור. 4]. סרט דק פולימרי, למשל, מ פוליקרבונט (Pokalon OG461Gl, 50 מיקרומטר, LoFo הייטק הסרטים GmbH, גרמניה), הוא מוקרן עם יונים כבדים מואץ (כגון Xe, Au או יונים U) במתקני מאיץ של GSI (דרמשטט, גרמניה) עם אנרגיות של כ. 1 GeV ו fluences בצו של 106 8 לאחר הקירור בכלי, חלק המוקפת חומה דקה ניתן demoulded. יונים / cm ². כאשר חודרת דרך הסרט, כל אחד מייצר יונים שביל ישר כמעט של חומר שונה, נקרא מסלול סמוי. טרום טיפול הסרטים הם thermoformed אז מערך של 25x25 microcontainers חומה דקה, כל אחד בקוטר ועומק של 300 מיקרומטר. התהליך מבוצע כיום על העיתונות שונה הבלטות חם [איור. 5], שם את הסרט פולימר הוא הידק בין שתי לוחיות מתכת. צלחת העליון מצויד עובש micromachined ואת התחתון מכיל את הלחץ ומחברים ואקום. הסרט הוא נמתח אל תוך microcavities פונו בעבר של עובש על ידי חנקן עם לחץ של עד 5 מגפ"ס. הסרטים נוצרים ליד הטמפרטורה שלהם המעבר זכוכית למניעת לעקוב חישול.
איור 4
איור 5
בתהליך הפוסט, המסילה יון חקוקות סלקטיבי נקבוביות ידי טבילה מיקרו כולו בינוני תחריט המתאים (למשל, מול 5 / L NaOH, 10% w / v MeOH). על ידי שליטה על פי תחריט תחריט תנאים, כגון טמפרטורה ריכוז, ומוספים מיוחדים (למשל, מקדמי לחרוט), גודל וצורה של הנקבוביות וכתוצאה מכך יכול להיות מותאם [איור. 6].
איור 6
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
למרות שיטות הוקמה microreplication של פולימר, כגון מיקרו הזרקה או הבלטה חמה, מתאימים לייצור microstructures, הם לא ממש יעילים בהפקת microstructures עם נקבוביות משולב ומבוקר מאוד, שכן דרוש CellChip. מבנים גדולים, נפוחים, למשל דורשים עיבוד יקר כדי להפחית עובי דופן עבור ניקוב לייזר הבאים או קירות צריך להיות מוחלף לחלוטין על ידי מעקב אחר חרוט ממברנות. SMART היא טכנולוגיה חדשה ומבטיחה כי ניתן להתגבר על בעיות אלה והוא מתאים לייצור המוני. פרספקטיבות כוללים ייצור של דק דופן microstructures על ידי גליל נמאס, בדומה קווי ייצור עבור חלקים מאקרוסקופיים. יתר על כן, בעיצובה של סרטים פולימר במצב גומי אלסטי מציעה הזדמנות לא רק ליצור הנקבוביות מוגדר בכל מבנה (כולל קירות אנכיים בצד), אלא גם כדי לספק microstructures עם functionalisation נפתר מאוד, כגון דפוסי משטח, ציפויים ביו, ו טופולוגיות אפילו בתוך נגיש כמעט, למשל, חללים microfluidic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
המחברים מבקשים להודות דירק הרמן, אוליבר ונדט, זיגפריד הורן, הרטמוט Gutzeit ו יורג Bohn לעזרה משמעותית שלהם לגבי ריתוך ממס אדי. יתר על כן, ברצוננו להודות מיכאל הרטמן, אלכס Gerwald, ודניאל Leisen לקבלת סיוע טכני שלהם.
References
- Knedlitschek, G., Schneider, F., Gottwald, E., Schaller, T., Eschbach, E., Weibezahn, K. F. A tissue-like culture system using microstructures: influence of extracellular matrix material on cell adhesion and aggregation. J Biomech Eng. 121, 35-39 (1999).
- Gottwald, E., Giselbrecht, S., Augspurger, C., Lahni, B., Dambrowsky, N., Truckenmüller, R., Piotter, V., Gietzelt, T., Wendt, O., Pfleging, W., Welle, A., Rolletschek, A., Wobus, A. M., Weibezahn, K. F. A chip-based platform for the in vitro generation of tissues in three-dimensional organization. Lab Chip. 7, 777-785 (2007).
- Heckele, M., Schomburg, W. K. Review on micro molding of thermoplastic polymers. Journal of Micromechanics And Microengineering. 14, (2004).
- Giselbrecht, S., Gietzelt, T., Guber, A. E., Gottwald, E., Trautmann, C., Truckenmüller, R., Weibezahn, K. -F. Microthermoforming as a novel technique for manufacturing scaffolds in tissue engineering (CellChips. IEE Proc.-Nanobiotechnol. 151, 151-157 (2004).
- Giselbrecht, S., Gietzelt, T., Gottwald, E., Trautmann, C., Truckenmüller, R., Weibezahn, K. -F., Welle, A. 3D tissue culture substrates produced by microthermoforming of pre-processed polymer films. Biomed Microdevices. 8, 191-199 Forthcoming.
- Truckenmüller, R., Rummler, Z., Schaller, T., Schomburg, W. K. Low-cost thermoforming of micro fluidic analysis chips. Journal of Micromechanics and Microengineering. 12, 375-379 (2002).
- Truckenmüller, R., Giselbrecht, S. Microthermoforming of flexible, not buried hollow microstructures for chip-based life sciences applications. IEE Proc.-Nanobiotechnol. 151, 163-166 (2004).
- Fleischer, R. L., Price, P. B., Walker, R. M. Nuclear tracks in solids. , University of California Press. Berkeley. Forthcoming.
