Multi-trinns variabel Høyde Fotolitografi for Valved Multilayer microfluidic enheter

Summary

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

Abstract

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined.

Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Introduction

For de siste 15 årene har MicroFluidics som et felt gjennomgått en rask vekst, med en eksplosjon av nye teknologier som muliggjør manipulering av væsker i mikrometer skala ^1. Microfluidic systemer er attraktive plattformer for våt laboratorium funksjonalitet fordi de små volumer har potensial til å realisere økt hastighet og følsomhet, mens på samme tid dramatisk øke gjennomstrømningen og redusere kostnadene ved å utnytte stordriftsfordeler ^{to, tre.} Multilayer microfluidic systemer har gjort særlig store virkninger i high-throughput biokjemiske analyseprogrammer som enkelt celle analyse ^{4, 5, 6,} enkelt molekyl analyse (f.eks digital PCR ^7), protein krystallografi ^8, transkripsjonsfaktor bindingsanalyserf "> ^{9, 10,} og cellulær screening ^11.

Et sentralt mål for MicroFluidics har vært utviklingen av "lab på en brikke" enheter i stand til å utføre komplekse fluidic manipulasjoner innenfor en enkelt enhet for total biokjemisk analyse ^12. Utviklingen av multi-lags myk litografi teknikker har hjulpet realisere dette målet ved å muliggjøre etableringen av on-chip ventiler, miksere, og pumper for aktivt å kontrollere væsker i små volumer ^{13, 14, 15.} Til tross for sine fordeler og demonstrerte applikasjoner, mange av disse teknologiene microfluidic forblir stort sett unharnessed av ikke-spesialist brukere. Utbredt adopsjon har vært utfordrende delvis på grunn av begrenset tilgang til microfabrication anlegg, men også på grunn av mangelfull kommunikasjon av fabrikasjon teknikker. Dette gjelder særlig for flerlags microfluidic enheter med strukturer for ventiler eller komplekse geometrier: mangelen på detaljert, praktisk informasjon om viktige designparametre og fabrikasjon teknikker avskrekker ofte nye forskere fra fatt på prosjekter som involverer design og etablering av disse enhetene.

Denne artikkelen tar sikte på å løse dette kunnskapsgapet ved å presentere et komplett protokoll for å lage flerlags microfluidic enheter med ventiler og variable høyde funksjoner, fra design parametere og beveger seg gjennom alle fabrikasjons trinn. Ved å fokusere på de første fotolitografi trinnene fabrikasjon, utfyller denne protokollen andre MicroFluidics protokoller ¹⁶ som beskriver nedstrøms trinn avstøpning enheter fra muggsopp og kjører konkrete eksperimenter.

Microfluidic enheter med monolittisk on-chip ventiler er sammensatt av to lag: et "flow" lag, hvor fluidet av interesse blir manipulert i mikrokanaler og en "kontroll" lag, hvor mikrokanaler inneholdende luft eller vann kan selektivt modulere fluidstrømning i strømningssjiktet ^14. Disse to lagene er hver fremstilt på en separat silisiumstøpe master, som senere brukes til polydimetylsiloksan (PDMS) replika støping i en prosess som kalles "myklitografi ^17". For å danne en flerlags enhet, er hvert av de PDMS lag støpt på de respektive støpe herrer og deretter justert til hverandre, for derved å danne en sammensatt enhet PDMS med kanaler på hvert lag. Ventiler er dannet ved steder hvor strømnings og styrekanaler som krysser hverandre og er adskilt med bare en tynn membran; trykksetting av styrekanalen avbøyes denne membranen for å tilstoppe strømningskanalen og lokalt fortrenge væske (figur 1).

Aktive on-chip ventiler kan fremstilles på flere måter, avhengig av den ønskede endelige anvendelse. ventilerkan konfigureres enten i en "push down" eller "push-up" geometri, avhengig av om kontrollsjiktet er over eller under det strømnings laget (figur 1) ^15. "Push up" geometrier tillate lavere avsluttende trykk og høyere enhets stabilitet mot delaminering, mens "trykk ned" geometrier tillate strømningskanalene å være i direkte kontakt med den bundne substrat, overdragelse fordelen av selektiv funksjonalisering eller mønstring av substratoverflaten for senere funksjonalitet ^{18 19.}

Ventilene kan også være enten med vilje er utett "sil" ventiler eller fullstendig lukkbar, avhengig av tverrsnittsprofilen av strømningskanalen. Sikt ventiler er nyttige for å fange perler, celler eller andre macroanalytes ^1, og er fabrikkert ved bruk av typiske negative fotoresister (dvs. SU-8-serien), som hektarve rektangulære profiler. Når en styrekanal er satt under trykk over disse ventil regioner, PDMS membran mellom kontroll- og strømnings lag avbøyer isotropisk inn i den rektangulære profil av ventilen uten å forsegles i hjørnene, hvilket tillater fluidstrømning, men fanger makrokalkpartikler (figur 1). Omvendt er fullt sealable microfluidic ventiler fabrikkert ved å inkludere en liten oppdatering av avrundet fotoresist på ventil steder. Med denne geometri, trykksetting av styrekanalen avbøyer membranen mot den avrundede strømningssjiktet for fullstendig å forsegle kanalen, stoppe fluidstrømmen. Avrundede profiler i flyten laget genereres via smelting og flyt av positiv fotoresist (f.eks AZ50 XT eller SPR 220) etter typiske fotolitografi trinn. Vi har tidligere vist at post-reflow høyder av ventil regioner avhenger av valgt har dimensjoner ^21. Denne protokollen demonstrerer fremstillingen av begge ventil geometrier medi en kule syntese-enhet.

Figur 1: Multilayer microfluidic Valve geometrier. Typiske "Push up" enhets arkitekturer for sil og fullt forseglbare ventiler før (øverst) og etter (nederst) trykksetting. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Enheter kan også inkludere komplekse passive funksjoner som kaotiske miksere ¹³ og on-chip motstander ²⁰ som krever funksjonene i flere forskjellige høyder i én flyt lag. For å oppnå en variabel høyde flyt laget, har ulike grupper benyttet mange metoder inkludert kretskort etsning ^22, flerlags PDMS lettelse justering ²³ eller flere trinn photolithography ^24. Vår gruppe har funnet flere trinn fotolitografi på en enkelt støpehoved for å være en effektiv og reproduserbar metode. For å gjøre dette, er en enkel fotolitografi teknikken med å bygge tykke kanaler med negativ fotoresist (f.eks SU-8-serien photoresists) i lag uten utvikling i mellom påføring av hvert lag ansatt. Hvert lag er spunnet i negativ fotoresist ifølge sin tykkelse ved hjelp av produsentens instruksjoner ²⁵ på silisium mester. Trekk ved denne høyde blir så mønstret på laget ved hjelp av en spesifikk transparent maske (figur 2) som er festet til en glassplate maske og justert til tidligere spunnet lag før eksponering. I flertrinnsfotolitografi, er nøyaktig innretting mellom lag kritisk i å danne en komplett variabel høyde strømningskanal. Etter innretting, hvert lag er underkastet en tykkelse avhengig post-eksponering bake. Uten utvikling, er neste lag similarly mønstret. På denne måte kan høy funksjoner bygges opp på en enkelt strømnings wafer lag-for-lag til ved bruk av flere masker. Ved å hoppe utvikling mellom hvert trinn, kan tidligere fotoresist lag brukes til å generere sammensatte høyde egenskaper (dvs, kan to 25 um lag lage en 50 um funksjon) ^24. I tillegg kan kanal gulv funksjoner som kaotisk blande fiskebein sporene ¹³ gjøres ved hjelp av lag med tidligere utsatt funksjoner. En siste utviklingen skritt fullfører prosessen, noe som skaper en enkelt flyt wafer med funksjoner av variabel høyde (figur 3).

Her blir et komplett protokoll for flertrinnsfotolitografi som inkluderer eksempler på alle prosedyrer som er nødvendige for å fremstille on-chip ventiler og strømningskanaler med flere høyder tilgjengelig. Denne fabrikasjon protokoll er presentert i sammenheng med en flerlags mikrofluid vulst synthesizer som krever ventiler og variable-høyden har for sin funksjonalitet. Denne enheten inkluderer T-kryss for generering av vanndråper i en olje skjede, on-chip motstander å modulere strømningsrater gjennom å kontrollere Poiseuilleschen motstand, en kaotisk mikser for homogenisering dråpe komponenter, og begge fullt tetting og sil ventiler for å aktivere automatiserte arbeidsflyter som involverer flere reagent innganger. Ved hjelp av flertrinnsfotolitografi, er disse funksjonene hver fremstilt på et annet lag ifølge høyde eller fotoresist; følgende lag er konstruert i denne protokoll: (1) Strømnings Round ventil sjikt (55 mikrometer, AZ50 XT) (2) Flow Low sjikt (55 mikrometer, SU-8 2050) (3) Strømnings høy sjikt (85 mikrometer, su- 8 2025, 30 um additiv høyde), og (4) Herringbone spor (125 um, SU-8 2025, 40 um additiv høyde) (figur 3).

Hydrogel perler kan brukes til en rekke applikasjoner, inkludert selektive overflaten funksjon for nedstrøms analyser, narkotika innkapsling, radiotracing og avbildningsanalyser og celle innlemmelse; vi tidligere har brukt en mer kompleks versjon av disse enhetene til å produsere spektralt kodede PEG hydrogel perler inneholder lantanidforbindelser nanophosphors ^20. Designene diskutert her er inkludert i tilleggsressurser for eventuelle lab å bruke i sine forskningsinnsats hvis ønskelig. Vi forventer at denne protokollen vil gi en åpen ressurs for spesialister og ikke-spesialister alike interessert i å gjøre multi-layer microfluidic enheter med ventiler eller komplekse geometrier å senke barrieren for å komme i MicroFluidics og øke sjansene for fabrikasjon suksess.

Protocol

1. Multi-layer Device Design MERK: Funksjoner av ulike høyder og / eller photoresists må legges sekvensielt til wafer under ulike trinn for å lage endelige sammensatte funksjoner. Derfor design for hver enkelt høyde og fotoresist å bli inkludert på en wafer må skrives på sin egen maske (figur 4). Last ned en dataassistert konstruksjon (DAK) utkast program (for eksempel AutoCAD Educational Version). Definer 4 "wafer-området ved å t…

Representative Results

Her viser vi fabrikasjon av ventil, variabel høyde flerlags microfluidic muggsopp ved å lage enheter som er i stand til å generere poly etylenglykol (PEG) hydrogel perler fra dråper (Figur 2). En oversikt av hele fremstillingsprosessen er inkludert i figur 3. Ved hjelp av konstruksjonselementer fra tidligere arbeid, vulsten syntetisatoren anvender 4 høyder i sin strømnings lag inkludert (1) avrundede AZ50 XT ventiler for laminær…

Discussion

Dette arbeidet viser en komplett flertrinns fotolitografi protokoll for en flerlags microfluidic enhet med ventiler og variabel høyde geometri som kan være innstilt for enhver applikasjon med enkle modifikasjoner til fabrikasjon parametere basert på våre online-verktøy ²⁶ og produsentens instruksjoner ^25. Denne protokollen er ment å avmystifisere flerlags fotolitografi for forskere som ønsker å konstruere microfluidic enheter utover enkle, passive ett-lags muggsopp…

Materials

Materials
Mylar Transparency Masks, 5"	FineLine Plotting
5" Quartz Plates	United Silica	Custom
4" Silicon Wafers, Test Grade	University Wafer	452
SU8 2005, 2025, 2050 photoresist	Microchem	Y111045, Y111069, Y111072
Az50XT	Integrated Micromaterials	AZ50XT-Q
SU8 Developer	Microchem	Y020100
AZ400K 1:3 Developer	Integrated Micromaterials	AZ400K1:3-CS
Pyrex 150 mm glass dish	Sigma-Aldrich	CLS3140150-1EA
Wafer Petri Dishes, 150 mm	VWR	25384-326
Wafer Tweezers	Electron Microscopy Sciences (EMS)	78410-2W
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)	Sigma-Aldrich	448931-10G
2" x 3" glass slides	Thomas Scientific	6686K20
RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set	Momentive	RTV615-1P
Tygon Tubing, 0.02" O.D.	Fischer Scientific	14-171-284
Capillary PEEK tubing,  510 um OD, 125 um ID	Zeus	Custom	360 um PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 mL tube	Greiner Bio-One	127279
Epoxy, 30-minute	Permatex	84107
Metal Pins, 0.025" OD, .013" ID	New England Small Tube	NE-1310-02
Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700	Sigma-Aldrich	455008-100ML
Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitator	Tokyo Chemical Industry Co.	L0290	We typically synthesize LAP in-house.
HEPES	Sigma-Aldrich	H4034-25G
Light mineral oil	Sigma-Aldrich	330779-1L
Span-80	Sigma-Aldrich	85548
ABIL EM 90	UPI Chem	420095
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment	Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well
Mask Aligner	Karl Suss	MA6
Profilometer	KLA-Tencor	Alpha-Step D500
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23	Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers
Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style	Bel-Art	420100000
Oven	Cole-Palmer	WU-52120-02
UV Spot Curing System with 3 mm LLG option	Dymax	41015	UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well
MFCS Microfluidic Fluid Control System	Fluidgent	MFCS-EZ	Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used
Automated control scripting	MATLAB
Hotplate	Tory Pines Scientific	HP30	Any hotplate with uniform heating (i.e. aluminum or ceramic plates) will suffice.