One-Step metod att fabricera Polydimetylsiloxan mikroflödessystem kanaler av olika geometriska avsnitten av sekventiell våta etsningen processer
Summary
Det finns flera metoder för tillverkning av kanaler av icke-rektangulära sektioner inbäddade i Polydimetylsiloxan mikroflödessystem enheter. De flesta av dem innebär utgångsämnet tillverkning och omfattande justeringen. I detta papper rapporteras en one-step metod för fabricera mikroflödessystem kanaler av olika geometriska tvärsnitt av Polydimetylsiloxan sekventiell våta etsningen.
Abstract
Polydimetylsiloxan (PDMS) material utnyttjas avsevärt för att fabricera mikroflödessystem enheter genom att använda mjuka litografi replika molding tekniker. Anpassade kanal layout design är nödvändiga för specifika funktioner och integrerad prestanda mikroflödessystem enheter i många biomedicinska och kemiska tillämpningar (t.ex., cellodling, biosensing, kemisk syntes och vätskehantering). På grund av gjutning metoder med fotoresist lager mönstrade av photolithographyen som master formar kiselskivor, ha ultrakalla kanalerna ofta regelbundna tvärsnitt av rektangulära former med identiska höjder. Vanligtvis, kanaler med flera höjder eller olika geometriska sektioner är utformade att inneha särskilda funktioner och att utföra i olika mikroflödessystem tillämpningar (t.ex., hydrophoresis används för sortering av partiklar och kontinuerliga flöden för separera blodkroppar6,7,8,9). Därför har en stor ansträngning gjorts för att konstruera kanaler med olika sektioner genom flera steg strategier som photolithography med flera fotoresist lager och montering av olika PDMS tunna ark. Dock innebära sådan flera steg metoder brukar tråkiga förfaranden och omfattande instrumentering. Dessutom fabricerade enheterna får inte utföra konsekvent och resulterade experimentella data kan vara oförutsägbar. Här, är en one-step metod utvecklad för enkel tillverkning av mikrofabricerade kanaler med olika geometriska tvärsnitt genom PDMS sekventiell våta etsningen processer, som introducerar etsmedel i kanaler av planerade lager layouter inbäddad i PDMS material. Jämfört med de befintliga metoderna för tillverkning av PDMS mikroflödessystem kanaler med olika geometrier, kan den utveckla one-step metoden avsevärt förenkla processen för att fabricera kanaler med icke-rektangulära sektioner eller olika höjder. Tekniken är således ett sätt att konstruera komplexa mikroflödessystem kanaler, vilket ger en fabrication lösning för främjande av innovativa mikroflödessystem system.
Introduction
Mikroflödessystem tekniker har uppmärksammat under de senaste decennierna på grund av sina inneboende fördelar för en mängd olika biomedicinska och kemisk forskning och tillämpningar. Det finns flera materialanvändningen alternativ för att konstruera mikroflödessystem marker numera, såsom polymerer, keramer och silicon material. Till bäst av vår kunskap, bland de mikroflödessystem material, är PDMS den vanligaste på grund av dess lämpliga materiella egenskaper för olika mikrofluidik forskning och tillämpningar, inklusive dess optiska och biologiska kompatibla med partiklar, vätskor och extremt små levande organismer1,2,3,4,5. Dessutom ytan kemiska struktur mekaniska egenskaperna och av PDMS material kan justeras för att underlätta studier mikroelektromekaniska och mechanobiological genom att tillämpa sådana polymerbaserade mikroflödessystem enheter10, 11,12. När det gäller tillverkning av mikrofabricerade enheter med designade kanal mönster, mjuka litografi replika gjutning metoder tillämpas normalt för att skapa mikroflödessystem kanalerna genom att utnyttja deras motsvarande master formar som består av Photolithography-mönstrad fotoresist lager och kisel wafer substrat12. På grund av gjutning metoder med mönstrade fotoresist lager kiselskivor, ha ultrakalla kanalerna ofta regelbundna tvärsnitt av rektangulära former med identiska höjder.
Nyligen har har forskare gjort betydande framsteg i biomedicinska studier som behandlar, till exempel, sortering partiklar och celler med hydrophoresis, separera blodplasma och berikande vita blodkroppar genom att tillämpa mikroflödessystem chip med kanaler olika höjder eller geometriska avsnitt6,7,8,9. Sådan sortering och separera funktioner av mikrofluidik för biomedicinska tillämpningar realiseras genom att anpassa kanaler med olika geometriska sektioner. Flera studier har ägnats åt tillverkning av mikrofabricerade kanaler med tvärsnitt av olika geometri egenskaper genom att tillverka master formar med specifika ytan mönster med olika höjder eller icke-rektangulära tvärsnitt. Dessa studier på mögel tillverkning omfattar sådana tekniker som flerstegs photolithography, fotoresist flödesomformning och gråskala litografi13,14,15. De befintliga teknikerna innebär oundvikligen, fint utformad fotomasker eller en exakt anpassning i flera steg tillverkningsprocesser, som väsentligen kan öka komplexiteten nivåerna av motsvarande tillverkning av mikrofabricerade kanaler. Hittills har flera försök har gjorts på ett steg tillverkningsprocesser för mikroflödessystem kanaler av olika sektioner, men de respektiva teknikerna är mycket begränsad till vissa tvärsnittsdata former av kanaler16.
Under de senaste två decennierna, förutom de gjutning metoderna för fabricera PDMS har mikroflödessystem kanaler med olika sektioner, etsning tekniker för mönstring PDMS kanaler med geometriska egenskaper blivit tillverkning av val i en mängd mikroflödessystem applikationer. Till exempel utnyttjas PDMS våta etsningen tillsammans med flera lager PDMS limning för att konstruera en Pneumatiskt manövrerad cell kultur enhet av mikrofluidik med ombildade orgel-nivå lung funktioner17. Den PDMS våta etsning teknik är anställd tillsammans med PDMS gjutning på cylindriska mikrobrunnar bearbetas av datorstödda styrsystem för fabricera 3D PDMS microneedle matriser18. PDMS torr etsning används att göra PDMS mikrostrukturer som delar av mikro-elektromekaniska ställdon19,20. Porösa PDMS membran med designade pore layouter tillverkas också genom torr etsning processer21. Både våta och den torra etsning tekniken kan integreras i mönstring PDMS filmer med utsedda geometriska former22.
Dock kanal de etsning teknikerna för att bilda PDMS strukturer med komplexa avsnitt former inte har tillämpats allmänt på grund av deras inneboende begränsningar på mikroflödessystem fabrication. Först, medan teknikerna av PDMS våta etsningen utnyttja laminärt flöden av kemikalier för att skapa mikroflödessystem kanaler av olika sektioner har fastställts, efterföljande kanal avsnitt bildandet är fortfarande begränsad på grund av de grundläggande egenskaperna bearbetar23av isotropiskt kemisk etsning. Dessutom, även om det verkar vara rimligt utrymme för att styra kanal avsnitt geometrier i en mikrofluidik tillverkning använder PDMS torr etsning tekniker20, krävs etsning tiden är oftast för lång tid (i timmar) vara praktisk för att tillverka mikroflödessystem chip. Dessutom, etsning selektivitet mellan PDMS material och motsvarande maskering fotoresist lager kan vara låg i allmänhet, och resulterade etsade djupet för kanaler, således inte acceptabelt20.
I detta papper utvecklar vi en one-step metod för att tillverka mikroflödessystem kanaler av olika geometriska tvärsnitt genom PDMS sekventiell våta etsningen processer (hädanefter benämnd SWEP). SWEP börjar med en PDMS mikroflödessystem enhet med single layer kanaler. Med diverse layout mönster av kanaler, kan fabricera mikroflödessystem kanaler med olika geometriska sektioner av olika slag uppnås genom sekventiell etsning processer. Den sekventiella etsningen behöver bara ett etsmedel införas i specifika kanaler av de planera lager layouter inbäddade i PDMS material. Jämfört med konventionella PDMS fabrication processer, SWEP bara kräver ett ytterligare steg att fabricera mikroflödessystem kanaler av icke-rektangulära sektioner eller olika höjder. Den föreslagna SWEP ger ett okomplicerat och enkelt sätt att fabricera mikroflödessystem kanaler med olika sektioner längs flödesriktningen, vilket avsevärt förenklar processer i de ovan nämnda metoderna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under de senaste decennierna, har mikrofluidik erbjudit lovande medel som experimentella plattformar för kemiska och biomedicinsk forskning kan vara konstruerade systematiskt1,2,3,4, 5. Plattformarna har också presenterat sin kapacitet att utreda flera cellulära funktioner i vivo fysiologiska mikromiljö villkor via i vitro cell studier<s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tacksamt erkänna det stöd som ges av den nationella hälsa Research institut (NHRI) i Taiwan under innovativa forskning Grant (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan ministeriet för vetenskap och teknik (mest 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), och Academia Sinica karriär utveckling Award. Författarna vill tacka Heng-Hua Hsu för korrekturläsning manuskriptet.
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).
