Één stap aanpak te fabriceren Polydimethylsiloxaan Microfluidic kanalen van verschillende geometrische secties door sequentiële nat etsen processen
Summary
Verschillende methoden zijn beschikbaar voor de fabricage van alle zenders van niet-rechthoekige stukken ingesloten in Polydimethylsiloxaan microfluidic apparaten. De meeste van hen betrekken meerstaps productie en uitgebreide uitlijning. In deze paper is een one-step-aanpak voor het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische kruissecties gerapporteerd door Polydimethylsiloxaan sequentiële nat etsen.
Abstract
Polydimethylsiloxaan (PDMS) materialen zijn aanzienlijk benut om het fabriceren van microfluidic apparaten met behulp van zachte lithografie replica molding technieken. Aangepaste kanaal lay-out ontwerpen zijn nodig voor specifieke functies en geïntegreerd performance van microfluidic apparaten in talrijke biomedische en chemische toepassingen (bijvoorbeeld de cultuur van de cel, biosensing, chemische synthese en vloeibare behandeling). Vanwege de aard van de molding benaderingen silicium-wafels met fotoresist lagen patroon door fotolithografie als master mallen, hebben de microfluidic kanalen vaak regelmatige kruissecties van rechthoekige vormen met identieke hoogten. Meestal kanalen met meerdere hoogten hebben of met verschillende geometrische secties zijn ontworpen om bepaalde functies bezitten en in diverse microfluidic toepassingen uit te voeren (bijvoorbeeld, hydrophoresis wordt gebruikt voor het sorteren van deeltjes en in continue stromen voor scheiden van bloedcellen6,,7,,8,9). Daarom is een grote hoeveelheid inspanning geboekt bij de bouw van kanalen met diverse secties door meerdere stappen benaderingen zoals fotolithografie met behulp van verschillende fotoresist lagen en assemblage van verschillende PDMS dunne vellen. Echter sprake een dergelijke aanpak van meerdere stappen meestal van vervelende procedures en uitgebreide instrumentatie. Bovendien, de gefabriceerde apparaten mogen geen consequent uitvoeren en de leidde tot experimentele gegevens kan onvoorspelbaar. Hier, is een one-step-aanpak ontwikkeld voor de eenvoudige vervaardiging van microfluidic kanalen met verschillende geometrische doorsneden door PDMS sequentiële nat etsen processen, die etchant distributiekanalen geplande enkellaags lay-outs introduceert ingebed in PDMS materialen. Vergeleken met de bestaande methoden voor het vervaardigen van PDMS microfluidic kanalen met verschillende geometrieën, kan de ontwikkelde one-step-aanpak aanzienlijk vereenvoudigen het proces om kanalen met niet-rechthoekige stukken of verschillende hoogten. Bijgevolg, de techniek is een manier van construeren van complexe microfluidic kanalen, waarmee een fabricage-oplossing voor de voortgang van de innovatieve microfluidic systemen.
Introduction
Microfluidic technieken wordt gewezen in de afgelopen decennia heb vanwege hun intrinsieke voordelen voor een verscheidenheid van biomedische en chemische onderzoek en toepassingen. Tegenwoordig, zoals polymeren, keramische en silicium materialen vindt u verschillende materiaalgebruik opties voor de bouw van microfluidic chips. Om het beste van onze kennis, de microfluidic materialen, waaronder is PDMS de meest voorkomende vanwege haar gewenste materiële eigenschappen voor verschillende microfluidics onderzoek en toepassingen, met inbegrip van de optische en biologische verenigbaarheid met deeltjes, vloeistoffen en uiterst kleine levende organismen1,2,,3,,4,5. Bovendien, de oppervlakte chemische structuur mechanische eigenschappen en van PDMS materialen kunnen worden aangepast microschakelaars en mechanobiological studies te vergemakkelijken door het toepassen van dergelijke microfluidic polymeer gebaseerde apparaten10, 11,12. Met betrekking tot de vervaardiging van microfluidic apparaten met ontworpen kanaal patronen, zachte lithografie replica molding methoden worden meestal toegepast om te maken van de microfluidic kanalen door gebruik te maken van hun overeenkomstige master mallen, die zijn samengesteld uit fotolithografie-patroon fotoresist lagen en silicium wafer substraten12. Vanwege de aard van de molding benaderingen silicium-wafels met gedessineerde fotoresist lagen, hebben de microfluidic kanalen vaak regelmatige kruissecties van rechthoekige vormen met identieke hoogten.
Onderzoekers hebben onlangs aanzienlijke vooruitgang geboekt in de biomedische studies die zich met, bijvoorbeeld bezighouden, Sorteer deeltjes en cellen met behulp van hydrophoresis, het scheiden van bloed plasma en verrijken van witte bloedcellen door het toepassen van microfluidic chips met kanalen van verschillende hoogten hebben of met geometrische secties6,,7,,8,9. Dergelijke sorteren en het scheiden van de functies van microfluidics voor biomedische toepassingen worden gerealiseerd door de kanalen met verschillende geometrische secties aanpassen. Verschillende studies hebben besteed aan de vervaardiging van microfluidic kanalen met kruissecties van andere geometrie functies door meester mallen met specifieke oppervlakte patronen van verschillende hoogten hebben of met niet-rechthoekige kruissecties fabriceren. Deze studies op schimmel fabricage omvatten dergelijke technieken als scriptingregel fotolithografie, fotoresist opnieuw plaatsen en grijs-schaal lithografie13,14,15. De bestaande technieken betrekken onvermijdelijk, fijn bewerkte fotomaskers of een precieze uitlijning in scriptingregel fabricageprocessen, die de niveaus van de complexiteit van de overeenkomstige fabricage van microfluidic kanalen aanzienlijk kunnen versterken. Tot nu toe verschillende pogingen zijn gedaan op-voor-stapmodus productieprocessen voor microfluidic kanalen van verschillende secties, maar de respectieve technieken zijn zeer beperkt tot specifieke transversale shapes kanalen16.
In de afgelopen twee decennia, naast de molding benaderingen voor het fabriceren van PDMS zijn microfluidic kanalen met verschillende secties, etsen van technieken voor PDMS kanalen met geometrische kenmerken patronen geworden de fabricage van keuze in een verscheidenheid van microfluidic toepassingen. Bijvoorbeeld, wordt PDMS nat etsen benut samen met multi-layer PDMS lijmen voor de opbouw van een pneumatisch bediende cel cultuur apparaat van microfluidics met gereconstitueerde orgel-niveau Long functies17. De PDMS natte ETS techniek wordt gebruikt samen met de PDMS gieten op cilindrische microwells machinaal door computer-aided controlesystemen voor het fabriceren van 3D PDMS microneedle arrays18. PDMS droge etsen wordt gebruikt om PDMS microstructuren als delen van micro-elektromechanische actuatoren19,20. Poreuze PDMS membranen met ontworpen porie lay-outs zijn ook vervaardigd door droge etsen processen21. Zowel de natte en de droge etsen technieken kunnen worden geïntegreerd in het PDMS films met aangewezen geometrische vormen22patronen.
Echter, de etsen-technieken voor het vormen van PDMS kanaal structuren met complexe sectie shapes niet vaak vanwege hun intrinsieke beperkingen op microfluidic fabricage zijn toegepast. Ten eerste, terwijl de technieken van PDMS nat etsen met behulp van laminaire stromen van chemische stoffen voor het maken van microfluidic kanalen van verschillende secties zijn vastgesteld, de latere kanaal sectie vorming is nog steeds beperkt vanwege de fundamentele kenmerken voor isotrope chemische etsen verwerkt23. Bovendien, hoewel er lijkt te zijn van redelijke ruimte voor het beheersen van de geometrieën sectie kanaal in een verzinsel van de microfluidics met behulp van het PDMS droge technieken20etsen, de vereiste etsen tijd wordt meestal lang (in termen van uren) worden praktisch voor het vervaardigen van microfluidic chips. Bovendien, de etsen selectiviteit tussen PDMS materialen en de bijbehorende maskering fotoresist lagen mogelijk is er onvoldoende in het algemeen, en het resulteerde geëtste diepten voor de kanalen zijn, dus niet aanvaardbaar20.
In deze paper ontwikkelen we een one-step benadering om het fabriceren van microfluidic kanalen van verschillende geometrische doorsneden door PDMS sequentiële nat etsen processen (hierna “SWEP” genoemd). De SWEP beginnen met een PDMS microfluidic apparaat met enkellaags kanalen. Met diverse lay-out ontwerpen van de kanalen, kan fabriceren van microfluidic kanalen met verschillende geometrische onderdelen van verschillende soorten worden bereikt door middel van opeenvolgende etsen processen. De sequentiële etsen moet alleen een etchant specifieke kanalen van de geplande enkellaags indelingen ingebed in PDMS materialen worden binnengebracht. Vergeleken met conventionele PDMS fabricage processen, vereisen de SWEP enkel een verdere stap bij het fabriceren van microfluidic kanalen voor niet-rechthoekige stukken of verschillende hoogten. De voorgestelde SWEP bieden een eenvoudige en eenvoudige manier van fabriceren van microfluidic kanalen met diverse secties in de stroomrichting, die aanzienlijk de processen in de bovengenoemde methoden vereenvoudigen kan.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de afgelopen decennia, heeft microfluidics aangeboden veelbelovende middelen waarmee experimentele platforms voor chemische en biomedisch onderzoek kunnen worden geconstrueerd systematisch1,2,3,4, 5. De platforms hebben ook hun vermogens van het onderzoeken van de verschillende cellulaire functies in vivo onder fysiologische communicatie voorwaard…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor de ondersteuning die wordt geboden door de nationale gezondheid onderzoek instituten (NHRI) in Taiwan onder de innovatieve onderzoek Grant (IRG) (EX106-10523EI), het Taiwan ministerie van wetenschap en technologie (meest 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), en de Academia Sinica Career Development Award. De auteurs bedank Heng-Hua Hsu voor proeflezen van het manuscript.
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 |
Riferimenti
- 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).
