Abordagem de uma etapa para fabricar polidimetilsiloxano Microfluidic canais de diferentes seções geométricas por processos sequenciais gravura molhado
Summary
Vários métodos estão disponíveis para a fabricação de canais das seções não-retangulares incorporadas em dispositivos microfluídicos de polidimetilsiloxano. A maioria deles envolve várias etapas fabricação e extenso alinhamento. Neste trabalho, uma abordagem de uma etapa é relatada para fabricar microfluidic canais de diferentes geométrica das secções transversais pelo polidimetilsiloxano sequencial gravura molhado.
Abstract
Materiais de polidimetilsiloxano (PDMS) substancialmente são exploradas para fabricar dispositivos microfluídicos usando técnicas de moldagem de réplica de litografia macia. Canal personalizado topografias são necessárias para o desempenho integrado de dispositivos microfluídicos em numerosas aplicações biomédicas e químicas (por exemplo, cultura de células, biosensing, síntese química e manipulação de líquidos) e funções específicas. Devido à natureza da moldagem abordagens usando wafers de silício com camadas de fotorresiste modeladas por fotolitografia como mestre moldes, os canais microfluídicos comumente têm regulares seções transversais de formas retangulares com alturas idênticas. Normalmente, canais com várias alturas ou diferentes seções geométricas são projetados para possuir funções específicas e realizar em várias aplicações de microfluidic (por exemplo, hydrophoresis é usado para classificar as partículas e em fluxos contínuos para separando as células do sangue6,7,8,9). Portanto, foi feita uma grande quantidade de esforço na construção de canais com várias seções, através de abordagens de várias etapas como fotolitografia usando várias camadas de fotorresiste e montagem de PDMS diferentes finas folhas. No entanto, tais abordagens várias etapas geralmente envolvem procedimentos tediosos e instrumentação extensa. Além disso, os dispositivos fabricados não podem executar consistentemente e os dados experimentais de resultado podem ser imprevisíveis. Aqui, é desenvolvida uma abordagem de uma etapa para a fabricação direta de canais microfluídicos com as diferentes seções transversais geométricas através de processos de gravura molhado sequencial de PDMS, que introduz o condicionador em canais de layouts de camada única planejadas incorporado em materiais PDMS. Em comparação com os métodos existentes para a fabricação de canais microfluídicos PDMS com diferentes geometrias, a abordagem de uma etapa desenvolvido significativamente pode simplificar o processo para fabricar canais com seções não-retangulares ou várias alturas. Consequentemente, a técnica é uma forma de construir canais microfluídicos complexo, que fornece uma solução de fabricação para o avanço dos sistemas microfluídicos inovadoras.
Introduction
Microfluidic técnicas já chamou a atenção nas últimas décadas por causa de suas vantagens intrínsecas para uma variedade de aplicações e pesquisa biomédica e química. Várias opções de uso de material para a construção de chips microfluídicos estão disponíveis hoje em dia, tais como polímeros, cerâmicas e materiais do silicone. O melhor de nosso conhecimento, entre os materiais microfluídicos, PDMS é o mais comum devido a suas propriedades de material apropriadas para vários microfluídica pesquisa e aplicações, incluindo suas compatibilidades ópticas e biológicas com partículas, fluidos e organismos vivos extremamente pequeno1,2,3,4,5. Além disso, as superfície química e estrutura propriedades mecânicas de materiais PDMS podem ser ajustadas para facilitar estudos Microeletromecânicos e mechanobiological através da aplicação de tais dispositivos microfluídicos baseado em polímero10, 11,12. No que diz respeito ao fabrico de dispositivos microfluídicos com padrões de canal projetado, métodos de moldagem de réplica de litografia macia são geralmente aplicados para criar os canais microfluídicos, utilizando seus moldes mestre correspondentes, que são compostos de fotolitografia-modelados fotorresiste camadas e silicone bolacha substratos12. Devido à natureza da moldagem abordagens usando wafers de silício com camadas de fotorresiste estampados, os canais microfluídicos comumente têm regulares seções transversais de formas retangulares com alturas idênticas.
Recentemente, pesquisadores fizeram progressos significativos em estudos biomédicos que lidar, por exemplo, classificação de partículas e células usando hydrophoresis, separando o plasma sanguíneo e enriquecendo glóbulos brancos aplicando microfluidic chips com canais de alturas diferentes ou seções geométricas6,7,8,9. Tal classificação e separação de funções de microfluídica para aplicações biomédicas são realizadas Personalizando canais com diferentes seções geométricas. Vários estudos têm se dedicado ao fabrico de canais microfluídicos com seções transversais das características de geometria diferente por fabricando moldes mestre com testes padrões de superfície específicos de várias alturas ou não-retangulares de seções transversais. Estes estudos na fabricação do molde incluem técnicas como multi-passo fotolitografia, fotorresiste refluxo e litografia de escala de cinza de14,13,15. Inevitavelmente, as técnicas existentes envolvem máscaras finamente trabalhadas ou um alinhamento preciso em processos de produção de várias etapas, que substancialmente pode aumentar os níveis de complexidade de fabricação dos canais microfluídicos correspondente. Até agora, várias tentativas foram feitas em processos de fabricação de etapa única para os canais microfluídicos de várias seções, mas as respectivas técnicas são altamente restritas a formas específicas de seção transversais de canais16.
Nas últimas duas décadas, além das abordagens de molde para a fabricação de PDMS microfluidic canais com várias seções, gravura técnicas para padronização canais PDMS com características geométricas tornaram-se a fabricação de escolha em uma variedade de microfluidic aplicações. Por exemplo, gravura molhada PDMS é explorada juntamente com PDMS multi-camada de ligação para a construção de um dispositivo de cultura celular atuada pneumática de microfluídica com funções de pulmão reconstituído de órgãos-nível17. PDMS molhado técnica de gravura é empregado em conjunto com a fundição de PDMS na cilíndricas micropoços usinados por sistemas de controle por computador para a fabricação de matrizes de microneedle PDMS 3D18. Gravura de seca de PDMS é usada para fazer microestruturas PDMS como partes de atuadores eletromecânicos-micro19,20. Membranas PDMS porosas com layouts de poro projetado também são fabricadas através de de processos de gravura seca21. O molhou- e as técnicas de gravura seca podem ser integradas padronização filmes PDMS com formas geométricas designadas22.
No entanto, as técnicas de gravura para formar PDMS canal estruturas com seção complexa formas não tiverem sido aplicadas comumente por causa de suas limitações intrínsecas na fabricação microfluidic. Em primeiro lugar, enquanto as técnicas de gravura molhada de PDMS utilizando fluxos laminar de produtos químicos para a criação de canais microfluídicos de várias seções foram estabelecidas, a formação de seção do canal posterior é ainda restrita devido às características básicas de decapagem química isotrópica processos23. Além disso, mesmo que parece haver um espaço razoável para controlar as geometrias de seção do canal em uma fabricação de microfluídica usando o seco PDMS gravura técnicas20, o tempo de condicionamento necessário é geralmente muito longo (em termos de horas) para ser práticas para a fabricação de chips microfluídicos. Além disso, a seletividade de gravura entre materiais PDMS e o mascaramento correspondente fotorresiste camadas podem ser baixas, em geral, e das profundezas gravadas resultou para os canais, assim, não são aceitáveis20.
Neste trabalho, desenvolvemos uma abordagem de uma etapa para fabricar microfluidic canais de diferentes geométrica das secções transversais por processos de gravura molhado sequencial de PDMS (doravante referidos como SWEP). O SWEP começam com um dispositivo de microfluidic PDMS com canais de camada única. Com variadas topografias dos canais, canais microfluídicos com diferentes seções geométricas de vários tipos de fabricação pode ser conseguido através de processos de gravura sequencial. A gravura sequencial só precisa de um ácido para ser introduzido em canais específicos dos layouts planejados monocamada incorporados em materiais PDMS. O SWEP comparado aos processos convencionais de fabricação de PDMS, exigem apenas um passo adicional para fabricar canais microfluídicos das seções não-retangulares ou várias alturas. O SWEP proposto fornecem uma maneira fácil e simples de fabricar microfluidic canais com várias seções ao longo da direção de fluxo, que pode simplificar significativamente os processos nos métodos acima mencionados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nas últimas décadas, microfluídica ofereceu promissores meios pelos quais plataformas experimentais para a investigação biomédica e química podem ser construídos, sistematicamente,1,2,3,4, 5. As plataformas também apresentaram suas capacidades de investigar várias funções celulares vivo em condições fisiológicas microambiente através …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem com gratidão o suporte fornecido pela institutos de pesquisa nacional de saúde (INDH) em Taiwan sob o inovador Research Grant (IRG) (EX106-10523EI), o Taiwan Ministério da ciência e tecnologia (mais 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) e o prêmio de desenvolvimento de carreira Sinica de Academia. Os autores gostaria agradecer Heng-Hua Hsu para revisão do 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 |
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