Enfoque de un solo paso fabricación de polidimetilsiloxano microfluídicos canales de distintas secciones geométricas por procesos secuenciales aguafuerte mojada
Summary
Varios métodos están disponibles para la fabricación de canales de secciones no rectangulares encajados dispositivos microfluídicos de polidimetilsiloxano. La mayoría de ellos implica fabricación multietapa y extensa alineación. En este trabajo, un enfoque de un solo paso se divulga para la fabricación de microfluidos canales de diferentes secciones geométricas por polidimetilsiloxano secuencial aguafuerte mojada.
Abstract
Materiales de polidimetilsiloxano (PDMS) son explotados sustancialmente para fabricar dispositivos microfluídicos, mediante técnicas de litografía blanda réplica del moldeo a presión. Canal modificado para requisitos particulares diseño diseños son necesarios para funciones específicas y funcionamiento integrado de dispositivos microfluídicos en numerosas aplicaciones biomédicas y químicas (p. ej., cultivo celular, biosensores, síntesis química y manejo de líquidos). Debido a la naturaleza de enfoques utilizando obleas de silicio con fotoresistencia capas estampadas por Fotolitografía como maestro moldes de moldeo, los canales de microfluidos comúnmente tienen secciones regulares de formas rectangulares con alturas iguales. Por lo general, están diseñados canales con varias alturas o diferentes secciones geométricas poseen funciones particulares y realizar en diversas aplicaciones de microfluídica (p. ej., hydrophoresis se utiliza para la clasificación de las partículas y en flujo continuo para separación de células de la sangre6,7,8,9). Por lo tanto, una gran cantidad de esfuerzo realizada en la construcción de canales con diferentes secciones a través de enfoques de múltiples pasos como Fotolitografía usando varias capas de la fotoresistencia y montaje de diferentes PDMS delgadas hojas. Sin embargo, estos enfoques varios pasos implican generalmente procedimientos tediosos y extenso instrumentación. Además, los dispositivos fabricados no pueden realizar constantemente y los datos experimentales dio como resultados pueden ser impredecibles. Aquí, se desarrolla un enfoque de un solo paso para la fabricación directa de canales de microfluidos con diferentes secciones geométricas a través de procesos de la aguafuerte mojada secuencial de PDMS, que introduce el grabador en canales de diseños de una sola capa previstas encajado en materiales PDMS. En comparación con los métodos existentes para la fabricación de canales de microfluídica PDMS con geometrías diferentes, el enfoque de un paso desarrollado significativamente puede simplificar el proceso para fabricar canales con secciones no rectangulares o varias alturas. En consecuencia, la técnica es una forma de construir canales de microfluidos complejo, que ofrece una solución de fabricación para el avance de sistemas microfluídicos innovador.
Introduction
Técnicas de microfluidos tienen llamado la atención en las últimas décadas debido a sus ventajas intrínsecas para una variedad de investigación biomédica y química y aplicaciones. Varias opciones de uso de material para la construcción de chips de microfluídica están disponibles hoy en día, tales como polímeros, cerámica y materiales de silicio. A lo mejor de nuestro conocimiento, entre los materiales de microfluidos, PDMS es el más común debido a sus propiedades materiales apropiados para diversas investigación microfluídica y aplicaciones, incluyendo su compatibilidad óptica y biológica con partículas, líquidos y los organismos vivos muy pequeños1,2,3,4,5. Además, las superficie química y estructura de propiedades mecánicas de materiales PDMS pueden ajustarse para facilitar estudios microelectromecánicos y mechanobiological mediante la aplicación de tales dispositivos microfluídicos con polímeros10, 11,12. En cuanto a la fabricación de dispositivos microfluídicos con patrones de diseño de canal, métodos de moldeo de réplica de litografía blanda se aplican generalmente a crear los canales de microfluidos utilizando sus correspondientes moldes maestro que se componen de Fotolitografía-patrón fotoresistencia capas y de sustratos de oblea de silicio12. Debido a la naturaleza de moldeo enfoques utilizando obleas de silicio con fotoresistencia con capas, los canales de microfluidos comúnmente tienen secciones regulares de formas rectangulares con alturas iguales.
Recientemente, los investigadores han hecho avances significativos en estudios biomédicos que tratan, por ejemplo, clasificación de partículas y células usando hydrophoresis, separar el plasma de la sangre y enriquecimiento de células blancas de la sangre mediante la aplicación de chips microfluídicos con canales de diferentes alturas o secciones geométricas6,7,8,9. Tal clasificación y separación de funciones de la microfluídica para aplicaciones biomédicas se realizan mediante la personalización de canales con diferentes secciones geométricas. Varios estudios se han dedicado a la fabricación de microfluidos canales con secciones de características diferentes de la geometría de fabricación de moldes maestros con específicos patrones superficiales de varias alturas o secciones no rectangulares. Estos estudios sobre la fabricación del molde incluyen técnicas como Fotolitografía paso múltiples, reflujo de la fotoresistencia y litografía de escala de grises13,14,15. Inevitablemente, las técnicas existentes implican patrones finamente o una alineación precisa de los procesos de fabricación de pasos múltiples, que pueden mejorar sustancialmente los niveles de complejidad de la fabricación correspondiente de microfluidos canales. Hasta ahora, ha habido varios intentos en procesos de fabricación solo paso para microfluidos canales de distintas secciones, pero las técnicas respectivas son altamente restringidas a formas específicas transversales de canales16.
En las últimas dos décadas, además de los métodos de moldeo para la fabricación de PDMS microfluídicos canales con secciones diferentes, técnicas para canales PDMS con características geométricas de la creación de patrones de grabado se han convertido en la fabricación de la opción en una variedad de aplicaciones de microfluídica. Por ejemplo, aguafuerte mojada PDMS se explota junto con PDMS de múltiples capas de la vinculación para la construcción de un dispositivo de cultura celular actuadas neumática de la microfluídica con reconstituido de órgano nivel de pulmón funciones17. El mojado PDMS, técnica de la aguafuerte se emplea junto con bastidor de PDMS en pocillos cilíndricos trabajados a máquina por los sistemas de control automatizado para la fabricación de 3D PDMS microneedle matrices18. Grabado seco PDMS se utiliza para hacer microestructuras PDMS como partes de actuadores electromecánicos micro19,20. Membranas porosas de PDMS con diseños diseñado poro también se fabrican a través de procesos de grabado seco21. La humedad y las técnicas de grabado seco pueden integrarse en patrones películas PDMS con formas geométricas designado22.
Sin embargo, las técnicas de grabado para la formación de PDMS canalizan estructuras con sección compleja formas no han aplicado comúnmente debido a sus limitaciones intrínsecas en la fabricación de microfluidos. En primer lugar, mientras que se han establecido las técnicas de aguafuerte mojada PDMS utilizando flujos laminares de productos químicos para la creación de canales de microfluídica de varias secciones, la formación de la sección de canal posterior es aún restringida debido a las características básicas de la aguafuerte química isotrópica procesos23. Además, aunque parece razonable espacio para el control de las geometrías de sección de canal en una fabricación de microfluidos con el seco PDMS grabado técnicas20, el tiempo de grabado requiere suele ser demasiado largo (en términos de horas) que práctico para la fabricación de chips de microfluídica. Además, la selectividad de grabado entre materiales PDMS y el enmascaramiento correspondiente fotoresistencia capas podrían ser baja en general, y las profundidades de grabado al agua fuerte resultó para los canales, por lo tanto, no son aceptables20.
En este trabajo, desarrollamos un enfoque de un solo paso para fabricar canales de microfluídica de diferentes secciones geométricas por procesos de aguafuerte mojada secuencial de PDMS (en lo sucesivo, SWEP). El SWEP comienzan con un dispositivo de microfluidos PDMS con canales de una sola capa. Con diseños surtidos diseño de los canales, canales de microfluidos con diferentes secciones geométricas de diversos tipos de fabricación puede lograrse a través de procesos secuenciales de la aguafuerte. El aguafuerte secuencial sólo necesita un grabador a introducirse en canales específicos de los diseños de una sola capa previstos encajados materiales PDMS. Comparado con procesos convencionales de fabricación de PDMS, el SWEP requiere sólo un paso más para fabricar canales de microfluídica de secciones no rectangulares o varias alturas. SWEP propuesto proporciona una manera sencilla y simple de la fabricación de canales de microfluidos con varias secciones a lo largo de la dirección del flujo, que puede simplificar significativamente los procesos de los métodos antes mencionados.
Protocol
Representative Results
Discussion
En las últimas décadas, ha ofrecido la microfluídica prometedores medios por los cuales pueden ser plataformas experimentales para la investigación química y biomédica sistemáticamente construcción1,2,3,4, 5. Las plataformas presentan también sus capacidades de investigación de varias funciones celulares in vivo bajo condiciones del microam…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen con gratitud el apoyo proporcionado por los institutos Nacional de investigación salud (INDH) en Taiwan bajo la innovadora investigación Grant (IRG) (EX106-10523EI), el Ministerio de Taiwán de la ciencia y tecnología (más 104-2218-E-032-004, 104 – 2221 – E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2, 105-2221-E-032-006, 106-2221-E-032-018-MY2) y el Premio de Academia Sinica carrera desarrollo. Los autores desean agradecer a Heng Hua Hsu por revisión del manuscrito.
Materials
| 1-Methyl-2-Pyrrolidinone | Tedia, Fairfield, OH | ME-1962 | NMP |
| 10 ml Syringe | Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 302151 | |
| 150 mm Petri dish | Dogger Science | DP-43151 | |
| 1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | L16606 | 97 % silane |
| 4'' Silicon Dummy Wafer | Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan | – | |
| Acetone | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | AH3102-000000-72EC | |
| AG Double Expose Mask Aligner | M&R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan | AG500-4D-D-V-S-H | |
| Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 33-31 | |
| Blunt Needle | Jensen Global, Santa Barbara, CA | Gauge 16 | |
| Buffered Oxide Etch | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | PH3101-000000-72EC | |
| Desicattor | A-VAC Industries, Anaheim, CA | 35.10001.01 | |
| Fluorescein Sodium Salt Water | Sigma-Aldrich Co., St Louis, MO | F6300 | |
| ImageJ | National Institutes of Health, Bethesda, MD | Ver. 1.51 | Imaging Processing Program |
| Inverted Fluorescence Microscope | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | DMI 6000 B | |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | CMOS112-00000-72EC | |
| Leica Application Suite | Leica Microsystems GmbH | LAS X | |
| MATLAB | MathWorks, Natick, MA | R2015b | Programming for MR evaluation |
| Mechanical Convention Oven | ThermoFisher Scientific,Waltham, MA | Lindberg Blue M MO1450C | |
| Plasma Tretment System | Nordson MARCH, Concord CA | PX-250 | Oxygen plasma surface treatment |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Polyethylene Tubing | Becton-Dickinson and Company, Sparks, MD | 427446 | PE 205, 10' |
| Spin Coater | ELS Technology, Hsinchu, Taiwan | ELS 306MA | |
| Negative Tone Photoresist | MicroChem, Westborough, MA | SU-8 2050 | |
| Negative Tone Photoresist Developer | MicroChem, Westborough, MA | Y020100 | SU-8 Developer |
| Surgical Blade | Feather, Osaka, Japan | 5005093 | PDMS cutting |
| Syringe Pump | Chemyx, Houston, TX | Fusion 400 | |
| Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF) | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | A10588 |
References
- Tung, Y. -. C., et al. Optofluidic Detection for Cellular Phenotyping. Lab on a Chip. 12, 3552-3565 (2012).
- Lu, Y., Yang, L., Wei, W., Shi, Q. Microchip-based Single-cell Functional Proteomics for Biomedical Applications. Lab on a Chip. 17, 1250-1263 (2017).
- Jensen, K. F., Reizman, B. J., Newman, S. G. Tools for Chemical Synthesis in Microsystems. Lab on a Chip. 14, 3206-3212 (2014).
- Chang, C. -. W., et al. A Polydimethylsiloxane-polycarbonate Hybrid Microfluidic Device Capable of Generating Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients for Cell Culture Studies. Lab on a Chip. 14, 3762-3772 (2014).
- Mosadegh, B., et al. Integrated Elastomeric Components for Autonomous Regulation of Sequential and Oscillatory Flow Switching in Microfluidic Devices. Nature Physics. 6, 433-437 (2010).
- Choi, S., Park, J. -. K. Tuneable Hydrophoretic Separation Using Elastic Deformation of Poly(Dimethylsiloxane). Lab on a Chip. 9, 1962-1965 (2009).
- Choi, S., Song, S., Choi, C., Park, J. -. K. Microfluidic Self-Sorting of Mammalian Cells to Achieve Cell Cycle Synchrony by Hydrophoresis. Analytical Chemistry. 81, 1964-1968 (2009).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Separation of Plasma from Whole Human Blood in a Continuous Cross-Flow in a Molded Microfluidic Device. Analytical Chemistry. 78, 3765-3771 (2006).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Perfusion in Microfluidic Cross-Flow: Separation of White Blood Cells from Whole Blood and Exchange of Medium in a Continuous Flow. Analytical Chemistry. 79, 2023-2030 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Annual Review of Material Science. 28, 153-184 (1998).
- Mello, A. Plastic Fantastic?. Lab on a Chip. 2, 31N-36N (2002).
- Choi, S., Park, J. -. K. Two-step Photolithography to Fabricate Multilevel Microchannels. Biomicrofluidics. 4, 046503 (2010).
- Zhong, K., Gao, Y., Li, F., Zhang, Z., Luo, N. Fabrication of PDMS Microlens Array by Digital Maskless Grayscale Lithography and Replica Molding Technique. Optik. 125, 2413-2416 (2013).
- Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. Journal of Visualized Experiments. (119), e55276 (2017).
- Lai, D., et al. Simple Multi-level Microchannel Fabrication by Pseudo-grayscale Backside Diffused Light Lithography. RSC Advances. 3, 19467-19473 (2013).
- Huh, D., et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328, 1662-1668 (2010).
- Deng, Y. -. L., Juang, Y. -. J. Polydimethyl Siloxane Wet Etching for Three-Dimensional Fabrication of Microneedle Array and High-Aspect-Ratio Micropillars. Biomicrofluidics. 8, 026502 (2014).
- Tung, Y. -. C., Kurabayashi, K. Nanoimprinted Strain-controlled Elastomeric Gratings for Optical Wavelength Tuning. Applied Physics Letters. 86, 161113 (2005).
- Tung, Y. -. C., Kurabayashi, K. A Single-Layer PDMS-On-Silicon Hybrid Microactuator with Multi-Axis Out-Of-Plane Motion Capabilities-Part II: Fabrication and Characterization. Journal of Microelectromechanical Systems. 14, 558-566 (2005).
- Chen, W., Lam, R. H. W., Fu, J. Photolithographic Surface Micromachining of Polydimethylsiloxane (PDMS). Lab on a Chip. 12, 391-395 (2012).
- Balakrisnan, B., Patil, S., Smela, E. Patterning PDMS Using a Combination of Wet and Dry Etching. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19, 047002 (2009).
- Takayama, S., et al. Topographical Micropatterning of Poly(dimethylsiloxane) Using Laminar Flows of Liquids in Capillaries. Advanced Materials. 13, 570-574 (2001).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of Microfluidic Devices Using Polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4, 026502 (2010).
- . NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2002-2025 Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2002-2025.pdf (2000)
- . NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2035-2100 Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2035-2100.pdf (2000)
- Hardt, S., Schönfeld, F. Laminar Mixing in Different Interdigital Micromixers: II. Numerical Simulations. AIChE Journal. 49, 578-584 (2003).
- Hessel, V., Löwe, H., Schönfeld, F. Micromixers-A Review on Passive and Active Mixing Principles. Chemical Engineering Science. 60, 2479-2501 (2005).
- Damiati, S., Kompella, U., Damiati, S., Kodzius, R. Microfluidic Devices for Drug Delivery Systems and Drug Screening. Genes. 9, 103 (2018).
- Wang, C. -. K., et al. Single Step Sequential Polydimethylsiloxane Wet Etching to Fabricate a Microfluidic Channel with Various Cross-Sectional Geometries. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 115003 (2017).
