ワンステップ連続湿式エッチング法によって異なる幾何学的なセクションのポリジメチルシロキサン マイクロ流路の加工方法
Summary
ポリジメチルシロキサン マイクロ流体デバイスに埋め込まれた非長方形断面のチャンネルの作製には、いくつかの方法があります。それらのほとんどは、多段階の製造と広範な配置を含みます。本稿でワンステップ アプローチはポリジメチルシロキサン シーケンシャル ウェット エッチングによって異なる幾何学的な断面のマイクロ チャネルの作製のために報告されます。
Abstract
ポリジメチルシロキサン (PDMS) 材料は、ソフト ・ リソグラフィー レプリカ成形技術を用いたマイクロ流体デバイスを作製する実質的に悪用されます。カスタマイズされたチャネルのレイアウト デザインは、特定の機能や多くの医学・化学用途 (例えば、細胞培養、バイオセンシング、化学合成と液体処理) でマイクロ流体デバイスの統合パフォーマンスに必要です。成形シリコン基板を用いたフォトレジスト層マスター金型としてフォトリソグラフィによるパターン化アプローチの性格上、マイクロ流路一般と同じ高さを持つ四角形の正規の断面積があります。特定の機能を所有して様々 なマイクロ アプリケーションで実行する、複数の高さやさまざまな幾何学的なセクションを持つチャネルが通常、設計されています (例えばhydrophoresis は使用の連続的なフロー、粒子を並べ替え血液細胞6,7,8,9を分離する)。したがって、いくつかのフォトレジスト層と異なる PDMS のアセンブリを使用して写真平版薄い板のような複数ステップのアプローチを通じてさまざまなセクションを持つチャネルの構築に多大な努力をしました。それにもかかわらず、このような複数ステップのアプローチは、通常、面倒な手続きや広範な計測を関与します。また、試作したデバイスを一貫して実行可能性があります、結果の実験データを予測できない場合があります。計画された単層レイアウトのチャネルにエッチング液を紹介 PDMS シーケンシャル ウェット エッチング プロセスを通じてさまざまな幾何学的な断面を持つマイクロ チャンネルの簡単な作製のため 1 段階のアプローチを開発するここでは、PDMS 材料に埋め込まれます。異なるジオメトリと PDMS マイクロ流路を製造するための既存の方法と比較して、開発された 1 ステップのアプローチは大幅非長方形断面や様々 な高さとチャンネルを作製するプロセスを簡略化できます。その結果、技術は、革新的なマイクロ流体システムの進歩のため加工ソリューションを提供する複雑なマイクロ チャネルを構築する方法です。
Introduction
マイクロ流体技術では、過去十年にわたってさまざまな化学研究やアプリケーションの本質的な利点のため注目があります。高分子、セラミックス、シリコン材料など今日では、マイクロ流体チップを構築するためのいくつかの材料の使用オプションがあります。マイクロ材料の中で、我々 の知識の限り PDMS は様々 なマイクロ流体研究とその光学的・生物学的粒子、互換性を含む、アプリケーションの適切な素材の特性による最も一般的なもの流体、および非常に小さい生物1,2,3,4,5。このようなポリマー製マイクロ流体デバイス10,を用いた微小電気機械および mechanobiological の研究を容易にする PDMS 材料の表面構造と化学機械的性質を調整ことができますさらに、11,12。設計されたチャネル パターンとマイクロ流体デバイスの製造に関するソフト ・ リソグラフィー レプリカ成形方法は通常から成るそのマスター金型を用いたマイクロ チャネルを作成に適用されます。フォトレジスト露光パターン層とシリコン ウエハー基板12。パターンフォトレジスト層とシリコン ・ ウエハーを使用してアプローチを成形の性格上、マイクロ流路一般と同じ高さを持つ四角形の正規の断面積があります。
最近では、研究者は例えば対処生物医学研究、並べ替えの粒子と細胞 hydrophoresis を使用して、血液の血漿を分離することでチャンネルのマイクロ流体チップを用いた白血球細胞を豊かに大きな進展をもたらし高さを変えたり、幾何学的なセクション6,7,8,9。このような並べ替えおよび医用マイクロ流体システムの機能を分離することは、さまざまな幾何学的なセクションとチャンネルのカスタマイズによって実現されます。いくつかの研究は、様々 な高さや非長方形断面の特定の表面パターンを持つマスター金型をでっち上げることによって異なるジオメトリ フィーチャーの断面をもつマイクロ チャンネルの製造に専念されています。金型製作に関するこれらの研究には、多段階露光、フォトレジスト リフロー、グレイ スケール露光13,14,15のような技術が含まれます。必然的に、既存のテクニックは、ない精巧なマスクまたはマイクロ チャネルの対応する製造の複雑さのレベルを高めることができる実質的に多段階製造プロセスで正確なアライメントを含まれます。これまでのところ、いくつかの試みは、様々 なセクションのマイクロ チャネルのシングル ステップ製造工程で行われているが、それぞれのテクニックが高いチャンネル16の特定の断面形状に制限。
過去二十年以上 PDMS を製造する成形方法に加え様々 なセクションで、エッチングによるパターンの幾何学的特徴と PDMS チャンネル技術マイクロ流路となっているの様々 な選択の作製マイクロ アプリケーション。例えば、PDMS ウェット エッチングは再構成臓器レベル肺機能17マイクロ流体システムの空気圧作動させた細胞培養デバイスを構築するため接合多層 PDMS と共に利用されます。一緒に 3 D PDMS マイクロニードル アレイ18を製造するための対策支援システムで加工円筒マイクロウェルの PDMS 鋳造 PDMS ぬれたエッチングの技術を採用します。マイクロ電気機械アクチュエーター19,20の部分として PDMS 微細構造を作る PDMS ドライ エッチングされます。設計された細孔レイアウトと PDMS 膜、ドライ エッチング プロセス21を製造します。ウェットとドライ エッチング技術の両方は、指定された幾何学図形22PDMS 薄膜のパターニングに統合できます。
ただし、PDMS を形成するエッチング技術チャネル図形がマイクロ加工での本質的な制限があるため一般的に適用されていない複雑な断面構造です。まず、さまざまなセクションのマイクロ チャンネルを作成する化学物質の層流を利用した PDMS ウェット エッチングの技法が確立されている後続チャネル セクションの形成、まだ基本的な特性のため等方性エッチングの23を処理します。また、PDMS ドライ テクニック20をエッチングを用いたマイクロ流体作製でチャネル セクションのジオメトリを制御するための合理的な空間と思われる、にもかかわらず必要なエッチング時間は、(時間) の面であまりにも長いことマイクロ流体チップ製造のための実用的。また、PDMS 材料と対応するマスキングとエッチング選択性フォトレジスト層は一般的に少ない可能性があり、チャンネルの結果エッチング深さは、したがって、ない許容20。
本稿では、(以下、SWEP) PDMS 連続湿式エッチング法によって異なる幾何学的な断面のマイクロ チャンネルを作製するワンステップ アプローチを開発します。SWEP は、シングル層チャネルと PDMS マイクロ流体デバイスで始まります。チャンネルの各種レイアウト設計と、順次エッチング プロセスによって異なる幾何学的セクションの様々 な種類のマイクロ チャンネルを加工を実現できます。シーケンシャルのエッチングには、PDMS 材料に埋め込まれた計画の単層レイアウトの特定のチャネルに導入されることによるエッチングのみ必要があります。従来の PDMS 作製プロセスと比較して、SWEP では非長方形断面のマイクロ チャンネルを作製する 1 つのそれ以上のステップまたは様々 な高さだけ必要です。提案された SWEP は、上記の方法でプロセスを大幅に合理化の流れの方向に沿ってさまざまなセクションとマイクロ チャンネルを加工の簡単な簡単な方法を提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
過去十年にわたってマイクロ流体システムを提供している化学と生物医学研究のための実験プラットフォームをできる有望な手段構築体系的に1,2,3,4、 5。プラットフォームも体外細胞研究6,7,を介して微小環境の…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者より感謝する革新的な研究助成金 (IRG) (EX106-10523EI)、台湾省、科学技術の下で台湾の国立健康研究所 (NHRI) によって提供されるサポート (最も 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)、アカデミア シニカ キャリア開発賞。著者は、原稿の校正に恒華 Hsu を感謝したいです。
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).
