मल्टीलेयर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के निर्माण के लिए तीन आयामी मुद्रित माइक्रोस्कोप मास्क अलाइनमेंट एडाप्टर का डिजाइन और विकास
Summary
यह परियोजना छोटी प्रयोगशालाओं को सटीक मल्टीलेयर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक आसान उपयोग मंच विकसित करने की अनुमति देती है। मंच में तीन आयामी मुद्रित माइक्रोस्कोप मास्क अलाइनमेंट एडाप्टर होता है जिसका उपयोग करके <10 माइक्रोन की संरेखण त्रुटियों के साथ मल्टीलेयर माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस प्राप्त किए गए थे।
Abstract
इस परियोजना का उद्देश्य सटीक, मल्टीलेयर माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक आसान-से-उपयोग और लागत प्रभावी मंच विकसित करना है, जिसे आमतौर पर केवल एक साफ कमरे की सेटिंग में महंगे उपकरणों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। मंच का मुख्य हिस्सा नियमित ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश एक्सपोजर सिस्टम के साथ संगत तीन आयामी (3 डी) मुद्रित माइक्रोस्कोप मास्क अलाइनमेंट एडाप्टर (एमएमएएए) है। डिवाइस डिजाइन को अनुकूलित करने के लिए किए गए काम के कारण डिवाइस बनाने की समग्र प्रक्रिया को बेहद सरल बनाया गया है। इस प्रक्रिया में प्रयोगशाला में उपलब्ध उपकरणों के लिए उचित आयाम खोजने और अनुकूलित विनिर्देशों के साथ एमएमएएए को 3डी-प्रिंटिंग करना आवश्यक है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि 3डी प्रिंटिंग द्वारा डिजाइन और निर्मित अनुकूलित एमएमएएए एक सामान्य माइक्रोस्कोप और लाइट एक्सपोजर सिस्टम के साथ अच्छा प्रदर्शन करता है। 3डी-मुद्रित एमएमएएए द्वारा तैयार मास्टर मोल्ड का उपयोग करके, बहुस्तरीय संरचनाओं वाले परिणामस्वरूप माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में <10 माइक्रोन की संरेखण त्रुटियां होती हैं, जो आम माइक्रोचिप्स के लिए पर्याप्त है। हालांकि यूवी लाइट एक्सपोजर सिस्टम के लिए डिवाइस के परिवहन के माध्यम से मानव त्रुटि बड़े निर्माण त्रुटियों का कारण बन सकती है, इस अध्ययन में प्राप्त न्यूनतम त्रुटियां अभ्यास और देखभाल के साथ प्राप्य हैं। इसके अलावा, एमएमएए को 3डी प्रिंटिंग सिस्टम में मॉडलिंग फाइल में बदलाव करके किसी भी माइक्रोस्कोप और यूवी एक्सपोजर सिस्टम को फिट करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। यह परियोजना एक उपयोगी अनुसंधान उपकरण के साथ छोटी प्रयोगशालाओं को प्रदान करती है क्योंकि इसके लिए केवल उपकरणों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो आमतौर पर पहले से ही उन प्रयोगशालाओं के लिए उपलब्ध होते हैं जो माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का उत्पादन और उपयोग करते हैं। निम्नलिखित विस्तृत प्रोटोकॉल एमएमएएए के लिए डिजाइन और 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया को रेखांकित करता है। इसके अलावा, एमएमएए का उपयोग करके एक मल्टीलेयर मास्टर मोल्ड खरीदने और पॉली (डाइमेथिलसिलोक्सेन) (पीडीएमएस) माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स का उत्पादन करने के लिए कदम भी यहां वर्णित है।
Introduction
इंजीनियरिंग अनुसंधान में एक अच्छी तरह से विकसित और आशाजनक क्षेत्र माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफार्मों को नियोजित करने वाले अनुप्रयोगों के विशाल विस्तार के कारण माइक्रोफैब्रिकेशन है। माइक्रोफैब्रिकेशन एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें विभिन्न रासायनिक यौगिकों का उपयोग करके μm-या छोटे आकार की विशेषताओं के साथ संरचनाओं का उत्पादन किया जाता है। जैसा कि पिछले 30 वर्षों में माइक्रोफ्लुइडिक अनुसंधान विकसित हुआ है, सॉफ्ट लिथोग्राफी सबसे लोकप्रिय माइक्रोफैब्रिकेशन तकनीक बन गई है जिसके साथ पॉली (डाइमिथाइलसिलोक्सेन) (पीडीएमएस) या इसी तरह के पदार्थों से बने माइक्रोचिप्स का उत्पादन किया जा सकता है। इन माइक्रोचिप्स का व्यापक रूप से सामान्य प्रयोगशाला प्रथाओं1,2,3,4 के लघुकरण के लिए उपयोग किया गया है और इंजीनियरों के लिए प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं की नकल करने केलिए शक्तिशाली अनुसंधान उपकरण बन गए हैं5,6,7,अध्ययन प्रतिक्रिया तंत्र, और मानव शरीर में विट्रो (जैसे, अंग-ऑन-ए-चिप)8,9,10में पाए जाने वाले अंगों की नकल करने के लिए। हालांकि, जैसा कि आवेदन की जटिलता बढ़ जाती है, यह विशिष्ट है कि एक अधिक जटिल माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस डिजाइन वास्तविक जीवन प्रणाली की बेहतर प्रतिकृति के लिए अनुमति देता है जिसका उद्देश्य अनुकरण करना है।
मूल नरम लिथोग्राफी प्रक्रिया में एक फोटोरेसिस्ट पदार्थ के साथ एक सब्सट्रेट को कोटिंग करना और यूवी लाइट11के सब्सट्रेट को अधीन करने से पहले कोटेड सब्सट्रेट पर फोटोमास्क रखना शामिल है। फोटोमास्क में पारदर्शी क्षेत्र होते हैं जो माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस चैनलों के वांछित पैटर्न की नकल करते हैं। यूवी प्रकाश के लिए लेपित सब्सट्रेट को अधीन करते समय, पारदर्शी क्षेत्र यूवी प्रकाश को फोटोमास्क के माध्यम से प्रवेश करने की अनुमति देते हैं, जिससे फोटोरेसिस्ट क्रॉसलिंक हो जाता है। एक्सपोजर चरण के बाद, संयुक्त राष्ट्र-क्रॉसलिंक फोटोरेसिस्ट को डेवलपर का उपयोग करके धोया जाता है, जो इच्छित पैटर्न के साथ ठोस संरचनाओं को छोड़ देता है। चूंकि माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों की जटिलता अधिक हो जाती है, इसलिए उन्हें बेहद सटीक आयामों के साथ कई-परत निर्माण की आवश्यकता होती है। सिंगल-लेयर माइक्रोफैब्रिकेशन की तुलना में मल्टीलेयर माइक्रोफैब्रिकेशन की प्रक्रिया बहुत अधिक कठिन है।
मल्टीलेयर माइक्रोफैब्रिकेशन के लिए दूसरे मास्क पर डिजाइन के साथ पहली परत सुविधाओं के सटीक संरेखण की आवश्यकता होती है। आम तौर पर, यह प्रक्रिया एक वाणिज्यिक मुखौटा संरेखक का उपयोग करके की जाती है, जो महंगा है और मशीनरी को संचालित करने के लिए प्रशिक्षण की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, बहुस्तरीय माइक्रोफैब्रिकेशन की प्रक्रिया आमतौर पर छोटी प्रयोगशालाओं के लिए अप्राप्य होती है जिसमें ऐसे प्रयासों के लिए धन या समय की कमी होती है। जबकि कई अन्य कस्टम-निर्मित मास्क संरेखक विकसित किए गए हैं, इन प्रणालियों को अक्सर कई अलग-अलग हिस्सों की खरीद और असेंबली की आवश्यकता होती है और अभी भी12,13,14काफी जटिल हो सकती हैं। यह न केवल छोटी प्रयोगशालाओं के लिए महंगा है, बल्कि सिस्टम के निर्माण, समझने और उपयोग करने के लिए समय और प्रशिक्षण की भी आवश्यकता होती है। इस पेपर में विस्तृत मास्क एलाइनर ने इन मुद्दों को कम करने की मांग की क्योंकि अतिरिक्त उपकरणों की खरीद की कोई आवश्यकता नहीं है, केवल उन उपकरणों की आवश्यकता होती है जो आमतौर पर प्रयोगशालाओं में पहले से मौजूद होते हैं जो माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का उत्पादन और उपयोग करते हैं। इसके अलावा, मास्क एलाइनर 3 डी प्रिंटिंग द्वारा निर्मित है, जो हाल ही में 3 डी प्रिंटिंग तकनीक की उन्नति के साथ, अधिकांश प्रयोगशालाओं और विश्वविद्यालयों के लिए सस्ती कीमत पर आसानी से उपलब्ध हो गया है।
इस पेपर में विस्तृत प्रोटोकॉल का उद्देश्य लागत प्रभावी और आसान-संचालन वैकल्पिक मुखौटा संरेखक बनाना है। यहां विस्तृत मास्क एलाइनर पारंपरिक निर्माण सुविधाओं के बिना अनुसंधान प्रयोगशालाओं के लिए मल्टीलेयर माइक्रोफैब्रिकेशन को व्यवहार्य बना सकता है। माइक्रोस्कोप मास्क अलाइनमेंट एडाप्टर (एमएमएए) का उपयोग करके, जटिल सुविधाओं के साथ कार्यात्मक माइक्रोचिप्स को नियमित यूवी प्रकाश स्रोत, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और सामान्य प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। परिणाम बताते हैं कि एमएमएए एक ईमानदार माइक्रोस्कोप और यूवी लाइट-एक्सपोजर बॉक्स का उपयोग करके एक उदाहरण प्रणाली के साथ अच्छा प्रदर्शन करता है। 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया का उपयोग करके उत्पादित एमएमएए का उपयोग न्यूनतम संरेखण त्रुटियों के साथ हेरिंगबोन माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के बाइलेयर मास्टर मोल्ड प्राप्त करने के लिए किया गया था। 3डी-मुद्रित एमएमएएए के साथ निर्मित मास्टर मोल्ड का उपयोग करके, माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को बहुस्तरीय संरचनाओं के साथ तैयार किया गया था जिसमें <10 माइक्रोन की संरेखण त्रुटियां थीं। माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के अनुप्रयोग में बाधा नहीं डालने के लिए <10 माइक्रोन की संरेखण त्रुटि कम से कम है।
इसके अलावा, एमएमएए का उपयोग करके उत्पादित चार-लेयर मास्टर मोल्ड के सफल संरेखण की पुष्टि की गई थी, और संरेखण त्रुटियों को <10 माइक्रोन होना निर्धारित किया गया था। माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस की कार्यक्षमता और न्यूनतम संरेखण त्रुटियां मल्टीलेयर माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस बनाने में एमएमएएए के सफल अनुप्रयोग को मान्य करती हैं। एमएमएएए को 3डी प्रिंटर में फाइल में मामूली बदलाव करके किसी भी माइक्रोस्कोप और यूवी एक्सपोजर सिस्टम को फिट करने के लिए कस्टमाइज किया जा सकता है । निम्नलिखित प्रोटोकॉल प्रत्येक प्रयोगशाला में उपलब्ध उपकरणों को फिट करने के लिए एमएमएए को ठीक करने के लिए आवश्यक कदमों को रेखांकित करता है और आवश्यक विनिर्देशों के साथ एमएमएए को 3 डी-प्रिंट करता है। इसके अलावा, प्रोटोकॉल विवरण कैसे एक मल्टीलेयर मास्टर मोल्ड प्रणाली का उपयोग कर विकसित करने के लिए और बाद में मास्टर मोल्ड का उपयोग कर PDMS microfluidic उपकरणों का उत्पादन । मास्टर मोल्ड और माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स की पीढ़ी तो उपयोगकर्ता प्रणाली की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए अनुमति देता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
उपरोक्त प्रोटोकॉल 3 डी-प्रिंटिंग एक एमएमएए के लिए प्रक्रिया को रेखांकित करता है और एक सटीक, मल्टीलेयर, माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस मास्टर मोल्ड बनाने के लिए सिस्टम का उपयोग करता है। हालांकि डिवाइस का उपयो?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को इस परियोजना के लिए धन प्रदान करने के लिए टेक्सास टेक विश्वविद्यालय से परिवर्तनकारी स्नातक अनुभवों के लिए केंद्र को स्वीकार करना चाहते हैं । लेखक भी टेक्सास टेक विश्वविद्यालय में रासायनिक इंजीनियरिंग विभाग से समर्थन स्वीकार करना चाहते हैं ।
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
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