Progettazione e sviluppo di un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente per la fabbricazione di dispositivi microfluidici multistrato
Summary
Questo progetto consente ai piccoli laboratori di sviluppare una piattaforma di facile utilizzo per la fabbricazione di precisi dispositivi microfluidici multistrato. La piattaforma è costituita da un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente utilizzando il quale sono stati realizzati dispositivi microfluidici multistrato con errori di allineamento di < 10 μm.
Abstract
Questo progetto mira a sviluppare una piattaforma facile da usare ed economica per la fabbricazione di dispositivi microfluidici precisi e multistrato, che in genere possono essere raggiunti solo utilizzando attrezzature costose in una camera bianca. La parte fondamentale della piattaforma è un adattatore di allineamento della maschera per microscopio (MMAA) stampato tridimensionalmente (3D) compatibile con i normali microscopi ottici e sistemi di esposizione alla luce ultravioletta (UV). Il processo complessivo di creazione del dispositivo è stato notevolmente semplificato a causa del lavoro svolto per ottimizzare il design del dispositivo. Il processo prevede la ricerca delle dimensioni corrette per le apparecchiature disponibili in laboratorio e la stampa 3D dell’MMAA con le specifiche ottimizzate. I risultati sperimentali mostrano che l’MMAA ottimizzato progettato e prodotto dalla stampa 3D funziona bene con un microscopio comune e un sistema di esposizione alla luce. Utilizzando uno stampo master preparato dall’MMAA stampato in 3D, i dispositivi microfluidici risultanti con strutture multistrato contengono errori di allineamento di < 10 μm, che è sufficiente per i comuni microchip. Sebbene l'errore umano attraverso il trasporto del dispositivo al sistema di esposizione alla luce UV possa causare errori di fabbricazione più grandi, gli errori minimi raggiunti in questo studio sono raggiungibili con pratica e cura. Inoltre, l'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando modifiche al file di modellazione nel sistema di stampa 3D. Questo progetto fornisce ai laboratori più piccoli un utile strumento di ricerca in quanto richiede solo l'uso di attrezzature che sono tipicamente già disponibili per i laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Il seguente protocollo dettagliato delinea il processo di progettazione e stampa 3D per l'MMAA. Inoltre, i passaggi per l'acquisto di uno stampo master multistrato utilizzando l'MMAA e la produzione di chip microfluidici poli(dimetilsilossano) (PDMS) sono descritti anche nel presente documento.
Introduction
Un campo ben sviluppato e promettente nella ricerca ingegneristica è la microfabbricazione a causa della vasta distesa di applicazioni che impiegano piattaforme microfluidiche. La microfabbricazione è un processo in cui le strutture sono prodotte con caratteristiche di dimensioni μm o più piccole utilizzando diversi composti chimici. Poiché la ricerca microfluidica si è sviluppata negli ultimi 30 anni, la litografia morbida è diventata la tecnica di microfabbricazione più popolare con cui produrre microchip a base di poli(dimetilsilossano) (PDMS) o sostanze simili. Questi microchip sono stati ampiamente utilizzati per la miniaturizzazione delle comuni pratiche di laboratorio1,2,3,4 e sono diventati potenti strumenti di ricerca per gli ingegneri per imitare i processi direazione 5,6,7,studiare i meccanismi di reazione e imitare gli organi presenti nel corpo umano in vitro (ad esempio, organ-on-a-chip)8,9,10. Tuttavia, con l’aumentare della complessità dell’applicazione, è tipico che un design del dispositivo microfluidico più complesso consenta una migliore replica del sistema reale che si intende imitare.
La procedura di base della litografia morbida prevede il rivestimento di un substrato con una sostanza fotoresistente e il posizionamento di una fotomaschera sul substrato rivestito prima di sottoporre il substrato alla luce UV11. La fotomaschera ha regioni trasparenti che imitano il modello desiderato dei canali del dispositivo microfluidico. Quando si sottopone il substrato rivestito alla luce UV, le regioni trasparenti consentono alla luce UV di penetrare attraverso la fotomaschera, causando la reticolazione del fotoresiste. Dopo la fase di esposizione, il fotoresist non reticolato viene lavato via usando uno sviluppatore, lasciando strutture solide con il modello previsto. Man mano che la complessità dei dispositivi microfluidici diventa maggiore, richiedono una costruzione a più strati con dimensioni estremamente precise. Il processo di microfabbricazione multistrato è molto più difficile rispetto alla microfabbricazione a strato singolo.
La microfabbricazione multistrato richiede un allineamento preciso delle caratteristiche del primo strato con i disegni sulla seconda maschera. Normalmente, questo processo viene eseguito utilizzando un allineatore di maschere commerciale, che è costoso e richiede una formazione per far funzionare il macchinario. Pertanto, il processo di microfabbricazione multistrato è in genere irraggiungibile per i laboratori più piccoli che non hanno i fondi o il tempo per tali sforzi. Mentre sono stati sviluppati molti altri allineatori di maschere costruiti su misura, questi sistemi spesso richiedono l’acquisto e l’assemblaggio di molte parti diverse e possono ancora essere piuttosto complessi12,13,14. Questo non è solo costoso per i laboratori più piccoli, ma richiede anche tempo e formazione per costruire, comprendere e utilizzare il sistema. L’allineatore di maschere dettagliato in questo documento ha cercato di alleviare questi problemi in quanto non è necessario l’acquisto di attrezzature aggiuntive, richiedendo solo attrezzature che sono tipicamente già presenti nei laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Inoltre, l’allineatore di maschere è fabbricato dalla stampa 3D, che con il recente progresso della tecnologia di stampa 3D, è diventata prontamente disponibile per la maggior parte dei laboratori e delle università a un costo accessibile.
Il protocollo dettagliato in questo documento mira a creare un allineatore di maschere alternativo economico e facile da utilizzare. L’allineatore di maschere qui descritto può rendere fattibile la microfabbricazione multistrato per i laboratori di ricerca senza strutture di fabbricazione convenzionali. Utilizzando l’adattatore di allineamento della maschera del microscopio (MMAA), è possibile ottenere microchip funzionali con caratteristiche complesse utilizzando una normale sorgente di luce UV, un microscopio ottico e attrezzature di laboratorio comuni. I risultati mostrano che l’MMAA funziona bene con un sistema di esempio che utilizza un microscopio verticale e una scatola di esposizione alla luce UV. L’MMAA prodotto utilizzando il processo di stampa 3D è stato utilizzato per acquisire uno stampo master a doppio strato di un dispositivo microfluidico a spina di pesce con errori di allineamento minimi. Utilizzando lo stampo master fabbricato con un MMAA stampato in 3D, sono stati preparati dispositivi microfluidici con strutture multistrato contenenti errori di allineamento di < 10 μm. L'errore di allineamento di <10 μm è abbastanza minimo da non ostacolare l'applicazione del dispositivo microfluidico.
Inoltre, è stato confermato il successo dell’allineamento di uno stampo master a quattro strati prodotto utilizzando l’MMAA e gli errori di allineamento sono stati determinati < 10 μm. La funzionalità del dispositivo microfluidico e gli errori di allineamento minimi convalidano l'applicazione di successo dell'MMAA nella creazione di dispositivi microfluidici multistrato. L'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando piccole modifiche al file nella stampante 3D. Il seguente protocollo delinea i passaggi necessari per mettere a punto l'MMAA per adattare le apparecchiature disponibili in ciascun laboratorio e stampare in 3D l'MMAA con le specifiche richieste. Inoltre, il protocollo descrive in dettaglio come sviluppare uno stampo master multistrato utilizzando il sistema e successivamente produrre dispositivi microfluidici PDMS utilizzando lo stampo master. La generazione dello stampo master e dei chip microfluidici consente quindi all'utente di testare l'efficacia del sistema.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il suddetto protocollo delinea la procedura per la stampa 3D di un MMAA e l’utilizzo del sistema per creare uno stampo master di dispositivo microfluidico preciso, multistrato. Sebbene il dispositivo sia facile da usare, ci sono passaggi critici all’interno del protocollo che richiedono pratica e cura per garantire il corretto allineamento degli strati dello stampo principale. Il primo passo critico è la progettazione dell’MMAA. È essenziale quando si progetta l’MMAA determinare le misurazioni esatte per il dispositivo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrebbero ringraziare il Center for Transformative Undergraduate Experiences della Texas Tech University per aver fornito finanziamenti per questo progetto. Gli autori vorrebbero anche riconoscere il supporto del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Texas Tech University.
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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