Biology

चिप आकार scaffolds के तीन आयामी सेल की खेती के लिए Microfabrication

Published: May 12, 2008 doi: 10.3791/699

Stefan Giselbrecht¹, Eric Gottwald¹, Roman Truckenmueller², Christina Trautmann³, Alexander Welle¹, Andreas Guber⁴, Volker Saile⁴, Thomas Gietzelt⁵, Karl-Friedrich Weibezahn¹

¹Institute for Biological Interfaces, Karlsruhe Research Centre, ²Institute for BioMedical Technology, University of Twente, ³Department of Materials Research, Institute for Heavy Ion Research, ⁴Institute of Microstructure Technology, Karlsruhe Research Centre, ⁵Institute for Micro Process Engineering, Karlsruhe Research Centre

Summary

हम तीन आयामी सेल की खेती के लिए झरझरा बहुलक चिप्स के microfabrication के लिए दो प्रक्रियाओं को प्रस्तुत करते हैं. पहले एक गर्म embossing एक विलायक वाष्प वेल्डिंग की प्रक्रिया के साथ संयुक्त है. दूसरा एक एक हाल ही में विकसित microthermoforming प्रक्रिया आयन ट्रैक निर्माण का एक महत्वपूर्ण सरलीकरण प्रमुख प्रौद्योगिकी के साथ संयुक्त का उपयोग करता है.

Protocol

प्रक्रिया अनुक्रम # 1: गरम Embossing, मशीनिंग और सॉल्वेंट वाष्प वेल्डिंग

अपनी क्यूबिक डिजाइन में CellChip गर्म embossing या सूक्ष्म इंजेक्शन मोल्डिंग द्वारा दोहराया है. इस के लिए, हम चिप की व्युत्क्रम ज्यामिति के साथ एक micromachined पीतल मोल्ड का उपयोग करें. कंटेनर - तक की एक नियमित रूप से 1156 कंटेनर सरणी में व्यवस्थित - 300 सुक्ष्ममापी के एक किनारे की लंबाई के साथ एक घन डिजाइन किया है. गर्म embossing के लिए, प्रतिकृति प्रक्रिया एक पारंपरिक WUM02 (JENOPTIK Mikrotechnik, जर्मनी) पर किया जाता है. उपकरण दो परिपत्र धातु प्लेटों के होते हैं. एक पहला कदम में, एक पतली PMMA प्लेट (Lucryl, G77Q11, BASF) खोला उपकरण के निचले प्लेट के केंद्र में रखा गया है. microstructured मोल्ड डालने centrically ऊपरी प्लेट में रखा है. तब उपकरण ढालना की निकासी के लिए बंद कर दिया है और बहुलक ग्लास संक्रमण के तापमान के ऊपर एक तापमान पर गरम. प्लेटें एक साथ दबाने से चिपचिपा बहुलक खाली cavities में धकेल दिया है जब तक वे पूरी तरह ठीक आचारण के ज्यामिति नकल भर रहे हैं. उपकरण ठंडा करने के बाद, microstructured बहुलक हिस्सा demoulded जा सकता है. प्रक्रिया वास्तव मोल्ड cavities को भरने की जरूरत है की तुलना में अधिक बहुलक जन की आवश्यकता है. बहुलक अधिशेष एक अवशिष्ट परत है जो का हिस्सा demoulding आराम के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है रूपों. हालांकि, कंटेनर के नीचे में 3 सुक्ष्ममापी से छोटे व्यास के pores बनाने, मोटी अवशिष्ट परत नीचे thinned किया है, या भी पूरी तरह से हटा दिया है और एक झरझरा झिल्ली द्वारा प्रतिस्थापित. ताकना एकीकरण की प्रक्रिया को सरल करने के लिए, दोहराया CellChip के पीछे पूरी तरह से एक हीरे की चक्की के साथ मशीनिंग द्वारा हटा दिया जाता है. इस के लिए, भागों एक ठंडा बढ़ते प्लेट पर तय कर रहे हैं और, इसके अतिरिक्त, नाजुक संरचनाओं deionised पानी में जमे हुए हैं उन्हें क्षति के खिलाफ की रक्षा.

एक अंतिम कदम प्रक्रिया में, अंत में एक वाणिज्यिक आयन ट्रैक etched झिल्ली (polycarbonate, मोटाई सुक्ष्ममापी 10, ध्यान में लीन होना आकार सुक्ष्ममापी 3, ^2x10 6 pores / सेमी ², Pieper फ़िल्टर GmbH) कंटेनरों के सरणी के पीछे करने के लिए बंधुआ है अब दोनों को खोला ऊपर और नीचे. संबंध प्रक्रिया एक विलायक वाष्प वेल्डिंग gastight, गर्म [चैम्बर चित्र में प्रदर्शन किया प्रक्रिया है. 1], एक ऊपरी सवार और एक एकीकृत निर्वात चक के साथ एक जंगम कम प्लेट के ^{निर्वाचकगण} 4 चार machined CellChips और ट्रैक etched झिल्ली अप समानांतर में vaporized विलायक उजागर करने के बाद कक्ष खाली था . फिर, ढाला भागों और झिल्ली के साथ ऊपरी सवार द्वारा दबाया जाता है. जोखिम (<15 एस) की एक छोटी अवधि के बाद, कक्ष फिर जिससे विलायक हटाने के लिए खाली है. कम संपर्क समय के लिए कारण, केवल सामग्री के पास सतह भंग है और थोक संरचना की एक यांत्रिक लोड के कारण विरूपण बचा जा सकता है. अंत में, कक्ष खोला है और विलायक वेल्डेड CellChips हटाया जा सकता है और सेल [संस्कृति छवि के लिए तैयार है. 2].

चित्रा 1.

चित्रा 2.

प्रक्रिया अनुक्रम # 2: भारी आयन विकिरण, microthermoforming और ट्रैक नक़्क़ाशी (स्मार्ट प्रक्रिया)

नई प्रक्रिया कहा जाता स्मार्ट functionalized झिल्ली की तरह microstructures निर्माण के लिए एक हाल ही में विकसित प्रौद्योगिकी सूक्ष्म ⁵ microtechnical thermoforming प्रक्रिया बुलाया 'microthermoforming' तकनीक पर आधारित है. इस केंद्रीय कदम प्रक्रिया में, ^6,7, जो macroscopic से अनुकूलित किया गया शीट thermoforming प्रक्रिया फंस, एक गर्म पतली बहुलक फिल्म अपने नरम, रबर लोचदार राज्य में एक मोल्ड गुहा चित्र [में गैस के दबाव के द्वारा बनाई है. 3]. गर्म embossing या इंजेक्शन मोल्डिंग के विपरीत, इस प्रक्रिया प्राथमिक गठन और नहीं है बहुलक नहीं पिघला है. कारण तथ्य यह है कि यह फिल्म अभी भी एक ठोस राज्य में एक स्थायी सामग्री सामंजस्य के साथ बनाई है, पहले उच्च पार्श्व संकल्प के साथ सामग्री संशोधनों planar बहुलक फिल्मों पर उत्पन्न किया जा सकता है और बनाने की प्रक्रिया के दौरान संरक्षित कर रहे हैं. Microthermoforming कदम के बाद, इन संशोधनों के आगे चुनिंदा कर सकते हैं, जैसे गीला रासायनिक उपचार द्वारा संसाधित.

चित्रा 3

सिद्धांत रूप में स्मार्ट प्रक्रिया तीन कदम प्रक्रिया के होते हैं:

अत्यधिक हल संशोधन पैटर्न के एक पूर्व प्रक्रिया में तलीय पतली बहुलक फिल्मों पर सृजन
3D shapकी हानि (नमूनों) संशोधनों के बिना microthermoforming फिल्मों की आईएनजी
बाद प्रक्रिया पतली दीवारों microstructured भागों के अंतिम functionalisation के लिए (वैकल्पिक)

हम वर्तमान में झरझरा CellChips के निर्माण के लिए आवेदन कर रहे हैं स्मार्ट प्रक्रिया में निम्नलिखित प्रक्रिया कदम [चित्र शामिल है. 4]. एक पतली बहुलक फिल्म, जैसे polycarbonate (Pokalon OG461Gl, 50 सुक्ष्ममापी, LoFo हाई टेक फिल्म GmbH, जर्मनी) से, जीएसआई के त्वरक सुविधाओं में त्वरित भारी आयनों (जैसे XE, Au या यू आयनों के रूप) के साथ विकिरणित है (Darmstadt, जर्मनी) लगभग ऊर्जा के साथ. 1 GeV और उपकरण ठंडा करने के बाद ⁸ 106 के क्रम में fluences, पतली दीवारों हिस्सा demoulded जा सकता है. आयनों / सेमी ². जब फिल्म के माध्यम से मर्मज्ञ, प्रत्येक आयन संशोधित सामग्री के एक लगभग सीधे निशान का उत्पादन, अव्यक्त ट्रैक कहा जाता है. पूर्व इलाज फिल्मों को तो 25x25 पतली दीवारों microcontainers, व्यास और 300 सुक्ष्ममापी की गहराई के साथ प्रत्येक के एक सरणी के लिए thermoformed हैं. प्रक्रिया वर्तमान में एक संशोधित गर्म embossing प्रेस चित्र [पर किया जाता है. 5], जहां दो धातु प्लेट के बीच में बहुलक फिल्म clamped है. ऊपरी प्लेट micromachined मोल्ड के साथ सुसज्जित है और एक कम दबाव और वैक्यूम connectors शामिल है. फिल्म आचारण के पहले खाली microcavities में 5 MPa के दबाव के साथ नाइट्रोजन से फैला है. उनके कांच संक्रमण ट्रैक रोकने annealing तापमान के पास फिल्मों का गठन कर रहे हैं.

चित्रा 4

चित्रा 5

एक के बाद प्रक्रिया में, आयन पटरियों चुनिंदा एक उपयुक्त नक़्क़ाशी माध्यम (उदाहरण के लिए, 5 Mol / एल NaOH, 10% w / ध् MeOH) में पूरे microstructure डुबो है pores के लिए etched. नक़्क़ाशी समय को नियंत्रित करने और एकाग्रता, तापमान, और विशेष additives (जैसे, खोदना प्रमोटरों) के रूप में इस तरह की स्थितियों, नक़्क़ाशी, और जिसके परिणामस्वरूप pores के आकार और आकार [अंजीर समायोजित किया जा सकता है. 6].

चित्रा 6

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Discussion

हालांकि सूक्ष्म इंजेक्शन मोल्डिंग या गर्म embossing जैसे बहुलक microreplication, की स्थापना की विधियों microstructures के उत्पादन के लिए उपयुक्त हैं, वे वास्तव में एक एकीकृत और अत्यधिक नियंत्रित porosity के साथ microstructures उत्पादन में प्रभावी नहीं हैं के रूप में CellChip के लिए की जरूरत है. भारी संरचनाओं जैसे महंगा मशीनिंग की आवश्यकता के लिए बाद में एक लेजर छिद्र के लिए दीवार मोटाई कम या दीवारों के लिए पूरी तरह से ट्रैक etched झिल्ली द्वारा प्रतिस्थापित किया जा. स्मार्ट एक नए और होनहार प्रौद्योगिकी है कि इन समस्याओं को दूर करने और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है. परिप्रेक्ष्य रोल खिलाया, macroscopic भागों के लिए उत्पादन लाइनों के लिए इसी तरह की पतली - दीवारों microstructures का निर्माण शामिल है. इसके अलावा, एक रबर लोचदार राज्य में बहुलक फिल्मों के आकार देने न केवल संरचना (ऊर्ध्वाधर ओर दीवारों सहित) पर परिभाषित किया है pores बनाने के लिए भी लेकिन bioactive सतह पैटर्न, कोटिंग्स के रूप में एक उच्च हल functionalisation के साथ microstructures प्रदान करने का मौका प्रदान करता है, और भी अंदर टोपोलोजी शायद ही सुलभ है, उदाहरण के लिए, microfluidic cavities.

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Acknowledgments

लेखकों उनके पर्याप्त मदद के लिए विलायक वाष्प वेल्डिंग के विषय में डिर्क Herrmann, ओलिवर Wendt, Siegfried हॉर्न, हर्टमट Gutzeit, और Joerg Bohn धन्यवाद की कामना करते हैं. इसके अलावा, हम अपने तकनीकी सहायता के लिए माइकल हार्टमैन, एलेक्स Gerwald, और डैनियल Leisen स्वीकार करते हैं करना चाहते हैं.

References

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