Ventilli Katmanlı mikroakışkan Cihazlar için çok adımlı Değişken Yükseklik Fotolitografi
January 27th, 2017
Çok katmanlı mikroakışkan cihazlar genellikle işlevsellik için karmaşık geometrilere sahip ana kalıpların imalatını içerir. Bu makale, herhangi bir uygulamaya ayarlanabilen valfler ve değişken yükseklik özellikleri ile çok adımlı fotolitografi için eksiksiz bir protokol sunar. Bir gösteri olarak, hidrojel boncuklar üretebilen bir mikroakışkan damlacık jeneratörü üretiyoruz.
Bu video protokolünün genel amacı, çip üzerinde valflere ve herhangi bir uygulama için ayarlanabilir çoklu yükseklik özelliklerine sahip mikroakışkan ana kalıpların eksiksiz çok adımlı fotolitografisini göstermektir. Bu yöntem, mikroakışkan cihazlar için çip üstü membran valfler de dahil olmak üzere karmaşık geometrilere sahip ana kalıpların nasıl üretileceğine ilişkin eksiksiz bir genel bakıştır. Bu tekniğin temel avantajı, biyolojik uygulamalarda mikroakışkanlara girişin önündeki büyük bir engeli aşarak, mikroakışkan cihazlardaki akışı kolayca kontrol etmeyi mümkün kılmasıdır.
Bu tekniğin görsel olarak gösterilmesi çok önemlidir, çünkü fotolitografi adımlarının yeni başlayanlar için ustalaşması genellikle zordur. Doğru hizalama, geliştirme ve maruz kalma, görsel ipuçlarına ve temiz oda deneyimine dayanır. Başlamak için cihazınızı tasarlayın ve çok katmanlı geometriler için ayrı fotoğraf maskelerini hazırlayın.
Ek olarak, beş mikronluk bir SU-8 2050 negatif fotorezist tabakası ile yaklaşık dört gofret hazırlayın ve ekteki metin protokolünde açıklandığı gibi sel pozlamasını hazırlayın. Kaplanmış gofreti bir sıkma kaplayıcıya yerleştirin ve sıkma aynasına sabitlemek için vakumu açın. Yüzeydeki tozu üflemek için nitrojen veya basınçlı hava kullanın.
Ardından, gofretin merkezine iki ila üç mililitre AZ 50XT pozitif fotorezist uygulayın. 55 mikronluk bir tabaka oluşturmak için fotorezisti döndürerek kaplayın. Kaplandıktan sonra, gofreti beş inçlik bir Petri kabına dikkatlice koyun ve 20 dakika dinlenmeye bırakın.
Daha sonra, sıcaklığı saatte 450 santigrat derece hızında 65 santigrat dereceden 112 santigrat dereceye yükseltirken gofreti bir ocak gözü üzerinde 22 dakika yumuşak bir şekilde pişirin. Ardından, gofretleri çıkarın ve ortam rehidrasyonu için bir Petri kabında oda sıcaklığında gece boyunca dinlendirin. Akış yuvarlak saydamlık maskesini, baskı tarafı gofrete en yakın olacak şekilde beş inçlik cam plakaya bantlayın ve UV maskesi hizalayıcısının maske konumlandırıcısına yükleyin.
Bahsi altı döngüde 930 miliJoule UV'ye maruz bırakın. Gofret'i üç ila beş dakika boyunca karıştırılmış bir geliştirici banyosuna batırarak veya banyo mora dönene ve özellikler ortaya çıkana kadar hemen geliştirin. Geliştirildikten sonra, gofreti çıkarın ve deiyonize su ile iyice durulayın.
Ardından, valf özelliklerini eritmek ve yuvarlamak için gofreti sert bir şekilde pişirin. Sıcaklığı 15 saat boyunca saatte 10 santigrat derece hızında 65 ila 190 santigrat derece arasında artırın. Bitirdikten sonra ocak gözünü kapatın ve gofretin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.
Gofret üzerindeki özellikler artık yuvarlatılmıştır. Bu sert fırınlama, dikdörtgen valf özelliklerini yuvarlak valf profillerine düzgün bir şekilde yeniden akıtmak için kritik öneme sahiptir. Daha kısa süreler çatlamaya veya kararsızlığa neden olabilir.
Değişken yükseklik özelliklerine sahip bir cihaz üretmek için, temizlenmiş gofretini daha önce gösterildiği gibi bir spin kaplayıcı üzerine yerleştirin. Gofretin merkezine bir ila iki mililitre SU-8 2050 negatif fotorezist uygulayın ve fotorezisti geliştirilen valf özellikleri üzerinde döndürün. Ardından, bükülmüş gofreti dikkatlice beş inçlik bir Petri kabına yerleştirin ve düz bir yüzeyde 20 dakika veya herhangi bir çizgi deseni solana kadar dinlenmesine izin verin.
Daha sonra, iki ocak gözünü 65 santigrat derece ve 95 santigrat dereceye ısıtın ve ardından gofreti 65 santigrat derece plakaya iki dakika, 95 santigrat derece plakaya sekiz dakika ve 65 santigrat derece plakaya yerleştirin. Gofret oda sıcaklığına geri soğuduktan sonra, akış düşük şeffaflık maskesini, baskı tarafı gofrete en yakın olacak şekilde kuvars beş inçlik bir cam plakaya bantlayın ve UV maskesi hizalayıcısının maske konumlandırıcısına yükleyin. Ardından, gofreti bir UV maskesi hizalayıcı aynasına yerleştirin ve mikroskop merceğini veya kamerayı kullanarak, yeni akışlı düşük katman özelliklerini akış yuvarlak valf katmanı özelliklerine dikkatlice hizalayın.
Cihaz kenarlıklarının yatay, dikey ve eğim eksenlerini maskedeki cihaz kenarlığı unsurlarıyla hizalayarak başlayın. Ardından, artı işareti özelliklerini katmanlar arasında hizalayın. Son olarak, valf özelliklerinin istenen yerde düşük akış özellikleriyle kesiştiğini onaylayın.
Ardından, gofreti 170 miliJoule UV birikimine maruz bırakın. Bittiğinde, gofreti çıkarın ve 65 santigrat derece ile 95 santigrat dereceye ayarlanmış iki ocak gözü arasında geçiş yaparak maruz kaldıktan sonra pişirin. Gofret'i geliştirmeden, oda sıcaklığına soğumasına izin verin ve ardından sırayla akış yüksek katmanını ve ardından ekteki metin protokolünde açıklandığı gibi SU-8 2025 kullanarak kaotik karıştırıcı balıksırtı katmanını ekleyin.
Tüm katmanlar tamamlandıktan sonra, gofreti 25 mililitre SU-8 geliştirici içeren karıştırılmış bir banyoya 3,5 dakika boyunca veya özellikler net bir şekilde ortaya çıkana kadar daldırarak özellikleri geliştirin. Özelliklerin açık, tanımlanmış özellik sınırlarına sahip olduğunu doğrulamak için bir stereoskop kullanın. Geliştirme sırasında, özelliklerin tam olarak tanımlandığını ve direncin silindiğini görmek için her 20 saniyede bir kontrol ettiğinizden emin olun.
Aşırı geliştirme, özellikle karmaşık kalıp tasarımlarında özelliklerin zarar görmesine neden olabilir. Ardından, tüm fotorezist özelliklerini stabilize etmek için gofreti sert bir şekilde pişirin. Daha sonra, kontrol katmanını beraberindeki metin protokolünde açıklandığı gibi üretin.
Mevcut açık erişim protokollerine göre cam üzerinde pushup geometrisinde çok katmanlı mikroakışkan cihazlar üretin ve devam etmeden önce tüm valflerin kontrol hatlarına düzgün şekilde hizalandığından ve tüm girişlerin tam olarak delindiğinden emin olmak için görsel inceleme kullanın. Su yüklü Tygon borularını şırınga pompası, akışkan kontrolörleri veya rezervuarlı açık kaynaklı bir solenoid valf dizisi gibi bir akış kontrol sistemine bağlayın. Ardından, metal pimleri boruya ve metal pimleri kontrol hattı girişlerindeki cihaz bağlantı noktalarına bağlayın.
Ardından, cihaz kontrol hatlarını basınçlandırmak için akış kontrol sistemini her hat için 25 PSI'ye ayarlayın. Mikroskop altında muayene yaparak valflerin kapanıp tekrar açıldığından emin olun. Bir mikrosantrifüj tüpünde, damlacıkları hidrojel boncuklara polimerize etmek için kullanılan foto başlatıcı çözeltisini hazırlamak için 100 mikrolitre DI su içinde 3.9 miligram foto başlatıcıyı askıya alın.
Işıktan korumak için solüsyonu örtün. İkinci bir mikrosantrifüj tüpünde, hidrojel damlacık çözeltisini yapmak için 132 mikrolitre deiyonize su, 172 mikrolitre PEG diakrilat, 12 mikrolitre foto başlatıcı solüsyonu ve 85 mikrolitre HEPES tamponu ekleyin. Hidrojel damlacık çözeltisini özelleştirilmiş bir kriyojenik tüp kabına aktarın.
Ardından, kriyojenik tüp kabının borusunu kontrol edilebilir bir basınç kaynağına bağlayın ve PEEK borusunu cihaz reaktif girişine bağlayın. Ardından, damlacıkları toplamak için PEEK hortumunu cihaz çıkışına takın. Cihazdaki hava kabarcıklarını çıkarın, sistemi yeniden basınçlandırın ve ardından RO1 yağ valfinin basıncını boşaltın ve yağ basıncını 10 PSI'ye ayarlayın.
Ardından, PEG karışım basıncını dokuz PSI'ye ayarlayın, yukarı akış valflerinin basıncını boşaltın ve istenen boyutta damlacıklar üretmek için basıncı gerektiği gibi ayarlayın. 50 FPS veya daha yüksek bir kamera kullanarak mikroskopi ile damlacık boyutunu belirleyin. Damlacıklar stabilize olduğunda, cihazın polimerizasyon bölgesinin üzerine bir UV ışık kaynağı yerleştirin ve kaynaktan gelen 365 nanometre ışığın santimetre karesine 100 miliWatt uygulayın.
Polimerize boncukların toplanmasını izlemek ve damlacıkların boncuklar halinde sertleşmesini sağlamak için boncuk elek valfine basınç uygulayın. Son olarak, boncuk elek valfinin basıncını boşaltın ve boncukları PEEK çıkış borusundan bir tüpe toplayın. Bu protokol, akış valflerini yuvarlamak için bir yöntem göstererek başlar.
Burada, bu yöntemden kaynaklanan ve yaklaşık 55 mikronluk bir yükseklik gösteren tipik yeniden akış sonrası valf yuvarlama profilini belirlemek için bir profilometre kullanıldı. Soldaki resimde valf kapalıdır ve kanallardan sıvı geçebilir. Valfler basınçlandırılarak etkinleştirildikten sonra, bu valflerden geçen akış kesilir.
Burada, T bağlantı damlacık jeneratöründe bir yağ emülsiyonunda hidrojel damlacıkları üreten boncuk sentezleyici cihazın çalıştığını görebilirsiniz. Bir elek valfi kullanarak bir aşağı akış akışını kısmen kapatarak, sıvı akmaya devam edebilir, ancak boncuklar valfin arkasında sıkışır. Bu işlem kullanılarak üretilen elde edilen boncukların çapı ortalama 52,6 mikrondu ve standart sapma sadece 1,6 mikrondu.
Yaklaşık 3.000 boncuktan, %1'den azı üçten fazla standart sapma ile bozuldu. Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik tasarımdan teste kadar üç gün içinde tamamlanabilir. Bu, hızlı tasarım yinelemesine izin verir.
Bu prosedürü takiben, çok az üretim tecrübesi olan araştırmacılar bile kendi karmaşık mikroakışkan cihazlarını inşa edebilir ve bunları kendi biyolojik problemlerine uygulayabilirler. Bu videoyu izledikten sonra, karmaşık değişken yükseklik özelliklerine veya valflere sahip cihazlar da dahil olmak üzere herhangi bir karmaşıklık seviyesindeki mikroakışkan cihazları yapmak için gerekli fotolitografi adımlarının nasıl gerçekleştirileceğini iyi anlamış olmalısınız.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, mikro akışkan usta kalıpların çok aşamalı fotolitografisi için eksiksiz bir protokol sunar ve yonga üzeri valfler ve değişken yükseklikteki özellikler dahildir. Bu yöntem, karmaşık geometrilerin üretilmesine olanak tanır ve mikro akışkan cihazlarda akış kontrolünü kolaylaştırır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakıcılık
- Fotolitografi
- Cihaz Üretimi
Arka Plan
- Mikroakıcılık cihazları sıvı akışının hassas kontrolünü gerektirir.
- Karmaşık geometriler çeşitli uygulamalar için gereklidir.
- Görsel gösterimler fotolitografi tekniklerinin anlaşılmasına yardımcı olur.
- Temiz oda deneyimi başarılı üretim için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Mikroakıcılık cihazlarının üretimi için kapsamlı bir protokol sağlamak.
- Çok aşamalı fotolitografi kullanımını göstermek.
- Araştırmacıların ayarlanabilir özelliklere sahip cihazlar yaratmalarını sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Mikroakıcılık cihazının tasarlanması.
- Çok katmanlı geometriler için ayrı foto maskelerinin hazırlanması.
- Yonga üzeri membran valflerin uygulanması.
- Süreçte netlik için görsel gösterimlerin gerçekleştirilmesi.
Ana Sonuçlar
- Bir mikro akışkan damlacık jeneratörünün başarılı üretimi.
- Hidrojel boncuk üretiminin gösterimi.
- Çeşitli uygulamalar için protokolün doğrulanması.
- Fotolitografi tekniklerinin daha iyi anlaşılması.
Sonuçlar
- Protokol, biyolojik uygulamalar için mikro akışkanlara girişi basitleştirir.
- Görsel yardımcılar, karmaşık üretim tekniklerinin ustalaşmasında gereklidir.
- Yöntem, çeşitli mikro akışkan uygulamaları için uyarlanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Multi-step variable height photolithography for valved multilayer microfluidic devices enables rapid prototyping of complex, tunable microfluidic systems for high-throughput biochemical and biological analysis. This capability lowers barriers for non-specialists, supporting iterative device design and accelerating early discovery workflows. The approach enhances predictive confidence and functional validation at critical inflection points in biopharma R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid hypothesis testing by facilitating custom device fabrication for novel assays.
- Supports functional target validation through precise flow control and compartmentalization.
- Accelerates biological de-risking by allowing iterative design and testing of microfluidic platforms.
- Improves predictive confidence in early-stage screening by standardizing device features.
Screening & Assay Development
- Prepares validated microfluidic systems for downstream high-throughput screening workflows.
- Ensures reproducibility and quantitative output through precise control of device geometry and valve function.
- Enables scalable assay development by supporting multi-height and multi-layer device architectures.
- Facilitates reliable compound evaluation by minimizing device-to-device variability.
Translational & Preclinical Research
- Aligns device design with disease-relevant biological models for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement by enabling rapid prototyping of devices for preclinical validation.
- Provides mechanistic de-risking through controlled microenvironment manipulation.
Pipeline & Workflow Integration
This photolithography protocol integrates from early discovery through assay development and preclinical research, enabling seamless transition between design, fabrication, and functional testing of microfluidic devices.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven experimentation by enabling custom device fabrication for pathway interrogation.
- Screening: Delivers assay-ready devices with reproducible, quantitative outputs for compound screening.
- Analytics: Provides precise measurements of droplet and bead size, supporting robust statistical analysis.
- Translational Research: Facilitates adaptation of devices to disease-relevant systems for biomarker and mechanistic studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable fabrication workflow adaptable to diverse R&D needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microfluidic assay development.
- Operational Value: Standardizes device fabrication, ensuring reproducibility and scalability across projects.
- Strategic Value: Enables faster go/no-go decisions and capital-efficient portfolio advancement.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by enabling rapid iteration and validation of device-based assays.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photolithography, cleanroom operation, and device design.
- Demands access to spin coaters, mask aligners, and analytical microscopy infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of fabrication and quality control protocols.
- Adaptable to a range of biological and chemical model systems with protocol modifications.
- Careful control of development and baking steps is critical to avoid feature instability or device failure.
