Проектирование и разработка адаптера выравнивания масок трехмерно-печатного микроскопа для изготовления многослойных микрофлюидных устройств
Summary
Этот проект позволяет небольшим лабораториям разработать простую в использовании платформу для изготовления точных многослойных микрофлюидных устройств. Платформа состоит из трехмерно напечатанного адаптера выравнивания маски микроскопа, с помощью которого были достигнуты многослойные микрофлюидные устройства с погрешностью выравнивания <10 мкм.
Abstract
Этот проект направлен на разработку простой в использовании и экономически эффективной платформы для изготовления точных, многослойных микрофлюидных устройств, что, как правило, может быть достигнуто только с использованием дорогостоящего оборудования в условиях чистой комнаты. Ключевой частью платформы является трехмерный (3D) печатный адаптер выравнивания масок микроскопа (MMAA), совместимый с обычными оптическими микроскопами и системами воздействия ультрафиолетового (УФ) света. Общий процесс создания устройства был значительно упрощен из-за работы, проделанной для оптимизации конструкции устройства. Процесс включает в себя поиск подходящих размеров для оборудования, доступного в лаборатории, и 3D-печать MMAA с оптимизированными спецификациями. Экспериментальные результаты показывают, что оптимизированная MMAA, разработанная и изготовленная с помощью 3D-печати, хорошо работает с обычным микроскопом и системой воздействия света. Используя мастер-форму, подготовленную 3D-печатной MMAA, полученные микрофлюидные устройства с многослойными структурами содержат ошибки выравнивания <10 мкм, что достаточно для обычных микрочипов. Хотя человеческая ошибка при транспортировке устройства в систему воздействия ультрафиолетового света может привести к большим ошибкам изготовления, минимальные ошибки, достигнутые в этом исследовании, достижимы с практикой и осторожностью. Кроме того, MMAA может быть настроен для любого микроскопа и системы воздействия ультрафиолета путем внесения изменений в файл моделирования в системе 3D-печати. Этот проект предоставляет небольшим лабораториям полезный исследовательский инструмент, поскольку он требует только использования оборудования, которое обычно уже доступно для лабораторий, производящего и использующего микрофлюидные устройства. Следующий подробный протокол описывает процесс проектирования и 3D-печати для MMAA. Кроме того, в настоящем описаны этапы получения многослойной мастер-формы с использованием MMAA и получения микрофлюидных чипов из поли(диметилсилоксана) (PDMS).
Introduction
Хорошо развитой и перспективной областью инженерных исследований является микропроизводствование из-за огромного пространства приложений, использующих микрофлюидные платформы. Микрофабрикация – это процесс, в котором структуры производятся с мкм- или меньшими размерами с использованием различных химических соединений. Поскольку микрофлюидные исследования развивались в течение последних 30 лет, мягкая литография стала наиболее популярным методом микропроизводство, с помощью которого можно производить микрочипы из поли(диметилсилоксана) (PDMS) или аналогичных веществ. Эти микрочипы широко использовались для миниатюризации распространенных лабораторных практик1,2,3, 4 и стали мощными исследовательскими инструментами для инженеров для имитации реакционных процессов5,6,7,изучения механизмов реакций и мимических органов, обнаруженных в организме человека in vitro (например, орган-на-чипе)8,9,10. Однако по мере увеличения сложности приложения характерно, что более сложная конструкция микрофлюидного устройства позволяет лучше тиражировать реальную систему, которую оно призвано имитировать.
Основная процедура мягкой литографии включает в себя покрытие подложки фоторезистентным веществом и размещение фотомаски над покрытой подложкой перед подвергнутием подложку ультрафиолетовому излучению11. Фотомада имеет прозрачные области, которые имитируют желаемый рисунок каналов микрофлюидного устройства. При воздействии на подложку с покрытием ультрафиолетового света прозрачные области позволяют ультрафиолетовому свету проникать через фотомаску, в результате чего фоторезист сшивается. После этапа экспозиции несшитый фоторезист смывается с помощью разработчика, оставляя твердые структуры с предполагаемым рисунком. По мере того, как сложность микрофлюидных устройств становится все больше, они требуют многослойной конструкции с чрезвычайно точными размерами. Процесс многослойного микрофабрикации намного сложнее по сравнению с однослойным микропроизводствием.
Многослойное микрофабрикация требует точного выравнивания признаков первого слоя с рисунками на второй маске. Как правило, этот процесс выполняется с использованием коммерческого элайнера для масок, который является дорогостоящим и требует обучения для работы с оборудованием. Таким образом, процесс многослойного микропроизводства, как правило, недостижим для небольших лабораторий, которым не хватает средств или времени для таких усилий. В то время как было разработано несколько других изготовленных на заказ элайнеров для масок, эти системы часто требуют покупки и сборки множества различных деталей и все еще могут быть довольносложными 12,13,14. Это не только дорого для небольших лабораторий, но и требует времени и обучения для создания, понимания и использования системы. Элайнер для масок, подробно описанный в этой статье, стремился смягчить эти проблемы, поскольку нет необходимости в покупке дополнительного оборудования, требуется только оборудование, которое обычно уже присутствует в лабораториях, производящих и использующих микрофлюидные устройства. Кроме того, выравниватель масок изготавливается с помощью 3D-печати, которая с недавним развитием технологии 3D-печати стала легко доступной для большинства лабораторий и университетов по доступной цене.
Протокол, подробно описанный в этой статье, направлен на создание экономически эффективного и простого в эксплуатации альтернативного элайнера масок. Маскировочный элайнер, описанный в настоящем описании, может сделать многослойное микропроизводственное производство возможным для исследовательских лабораторий без обычных производственных средств. Используя адаптер выравнивания масок микроскопа (MMAA), функциональные микрочипы со сложными функциями могут быть достигнуты с использованием обычного источника ультрафиолетового света, оптического микроскопа и общего лабораторного оборудования. Результаты показывают, что MMAA хорошо работает с примером системы, использующего вертикальный микроскоп и блок воздействия ультрафиолетового света. MMAA, изготовленный с использованием процесса 3D-печати, был использован для получения двухслойной главной формы микрофлюидного устройства елочкой с минимальными ошибками выравнивания. С помощью мастер-формы, изготовленной с помощью 3D-печатной MMAA, микрофлюидные устройства были подготовлены с многослойными структурами, содержащими ошибки выравнивания <10 мкм. Погрешность выравнивания <10 мкм достаточно минимальна, чтобы не препятствовать применению микрофлюидного устройства.
Кроме того, было подтверждено успешное выравнивание четырехслойной мастер-формы, изготовленной с использованием MMAA, и были определены ошибки выравнивания <10 мкм. Функциональность микрофлюидного устройства и минимальные ошибки выравнивания подтверждают успешное применение MMAA при создании многослойных микрофлюидных устройств. MMAA может быть настроен для любого микроскопа и системы воздействия ультрафиолета, внеся незначительные изменения в файл на 3D-принтере. В следующем протоколе описываются шаги, необходимые для тонкой настройки MMAA в соответствии с оборудованием, доступным в каждой лаборатории, и 3D-печати MMAA с требуемыми спецификациями. Кроме того, в протоколе подробно описывается, как разработать многослойную мастер-форму с использованием системы и впоследствии производить микрофлюидные устройства PDMS с использованием мастер-формы. Генерация мастер-формы и микрофлюидных чипов затем позволяет пользователю проверить эффективность системы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Вышеупомянутый протокол описывает процедуру 3D-печати MMAA и использования системы для создания точной, многослойной, микрофлюидной формы устройства. Хотя устройство легко использовать, в протоколе есть критические шаги, которые требуют практики и ухода для обеспечения надлежащего выр?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Центр трансформационного опыта бакалавриата из Техасского технического университета за предоставление финансирования для этого проекта. Авторы также хотели бы отметить поддержку со стороны департамента химической инженерии Техасского технического университета.
Materials
| Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament | Provided by the Texas Tech University 3D printing facility | ||
| BX53, Upright Microscope | Olympus | ||
| Form 2, Stereolithography 3D printer | Formlabs | ||
| Advanced Hot Plate Stirrer | VWR | 97042-642 | |
| Isoproyl Alcohol, 70% (v/v) | VWR | BDH7999-4 | |
| Light Colored Marker | Sharpie | ||
| Magnets, 3 mm x 3 mm | WOTOY | ASIN #: B075PLVW8W | |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | DOW | 4019862 | |
| Petri Dish, 150 mm x 15 mm | VWR | 25384-326 | |
| Printed Photomasks | CAD/Art Services, Inc. | ||
| Aluminum Support Jack – 8" x 8", Scissor Lift | VWR | 12620-904 | |
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Sodium Hydroxide | VWR | ||
| Sonication Bath | Branson | CPX3800H | |
| Spin Coater | Laurell Technologies Corporation | Model WS-650MZ-23NPPB | |
| STRATASYS SR-30 | MakerBot Industries, LLC | SR-30 | Dissolvable support material for 3D printing |
| Stratasys uPrint SE 3D Printer | Computer Aided Technology, LLC | ||
| SU-8 50 | Kayaku | Y131269 0500L1GL | |
| SU-8 100 | Kayaku | Y131273 0500L1GL | |
| SU-8 Developer | Kayaku | Y020100 4000L1PE | |
| Super glue | Gorilla Glue | ||
| Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
| Tape | Scotch | ||
| Form Cure, UV Curing Chamber | Formlabs | FH-CU-01 | |
| UV-KUB2, UV Light-Exposure Box | Kloe | UV-KUB2 |
References
- Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
- Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
- Kong, D. S., Carr, P. A., Chen, L., Zhang, S., Jacobson, J. M. Parallel gene synthesis in a microfluidic device. Nucleic Acids Research. 35 (8), 61 (2007).
- Yang, M., Li, C. -. W., Yang, J. Cell docking and on-chip monitoring of cellular reactions with a controlled concentration gradient on a microfluidic device. Analytical Chemistry. 74 (16), 3991-4001 (2002).
- Keles, H., et al. Development of a robust and reusable microreactor employing laser based mid-IR chemical imaging for the automated quantification of reaction kinetics. Organic Process Research & Development. 21 (11), 1761-1768 (2017).
- Losey, M. W., Jackman, R. J., Firebaugh, S. L., Schmidt, M. A., Jensen, K. F. Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction. Journal of Microelectromechanical Systems. 11 (6), 709-717 (2002).
- Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
- Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
- Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 33 (1), 43-48 (2018).
- Lee, H., et al. A pumpless Multi-Organ-on-a-Chip (MOC) combined with a Pharmacokinetic-Pharmacodynamic (PK-PD) model. Biotechnology and Bioengineering. 114 (2), 432-443 (2017).
- Kang, S. -. W., Wang, M. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. , 403-426 (2010).
- Challa, P. K., Kartanas, T., Charmet, J., Knowles, T. P. J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LED-lithography patterning. Biomicrofluidics. 11, 014113 (2017).
- Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
- Pham, Q. L., Tong, N. -. A. N., Mathew, A., Voronov, R. S. A compact low-cost low-maintenance open architecture mask aligner for fabrication of multilayer microfluidics devices. Biomicrofluidics. 12 (4), 044119 (2018).
- Ravi, T., Ranganathan, R., Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. , 189-198 (2019).
- SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020)
