Design og utvikling av en tredimensjonalt trykt mikroskopmaskejusteringsadapter for fremstilling av mikrofluidiske enheter med flere lag
Summary
Dette prosjektet gjør det mulig for små laboratorier å utvikle en brukervennlig plattform for fabrikasjon av presise flerlags mikrofluidiske enheter. Plattformen består av en tredimensjonalt trykt mikroskopmaskejusteringsadapter som flerlags mikrofluidiske enheter med justeringsfeil på <10 μm ble oppnådd.
Abstract
Dette prosjektet tar sikte på å utvikle en brukervennlig og kostnadseffektiv plattform for fabrikasjon av presise, flerlags mikrofluidiske enheter, som vanligvis bare kan oppnås ved hjelp av kostbart utstyr i et rent rom. Nøkkeldelen av plattformen er en tredimensjonalt (3D) trykt mikroskopmaskejusteringsadapter (MMAA) kompatibel med vanlige optiske mikroskoper og ultrafiolette (UV) lyseksponeringssystemer. Den generelle prosessen med å lage enheten har blitt enormt forenklet på grunn av arbeidet som er gjort for å optimalisere enhetsdesignet. Prosessen innebærer å finne de riktige dimensjonene for utstyret som er tilgjengelig i laboratoriet og 3D-utskrift av MMAA med de optimaliserte spesifikasjonene. Eksperimentelle resultater viser at den optimaliserte MMAA designet og produsert av 3D-utskrift fungerer bra med et felles mikroskop og lyseksponeringssystem. Ved hjelp av en masterform utarbeidet av den 3D-trykte MMAA, inneholder de resulterende mikrofluidiske enhetene med flerlagsstrukturer justeringsfeil på <10 μm, som er tilstrekkelig for vanlige mikrochips. Selv om menneskelig feil gjennom transport av enheten til UV-lyseksponeringssystemet kan forårsake større fabrikasjonsfeil, er de minimale feilene som oppnås i denne studien oppnåelige med praksis og omsorg. Videre kan MMAA tilpasses for å passe til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved å gjøre endringer i modelleringsfilen i 3D-utskriftssystemet. Dette prosjektet gir mindre laboratorier et nyttig forskningsverktøy, da det bare krever bruk av utstyr som vanligvis allerede er tilgjengelig for laboratorier som produserer og bruker mikrofluidiske enheter. Følgende detaljerte protokoll beskriver utformings- og 3D-utskriftsprosessen for MMAA. I tillegg er trinnene for å anskaffe en flerlags masterform ved hjelp av MMAA og produsere poly (dimetylsiloksan) (PDMS) mikrofluidiske sjetonger også beskrevet her.
Introduction
Et velutviklet og lovende felt innen ingeniørforskning er mikrofabrikasjon på grunn av den enorme utstrekningen av applikasjoner som bruker mikrofluidiske plattformer. Mikrofabrikasjon er en prosess der strukturer produseres med μm- eller mindre funksjoner ved hjelp av forskjellige kjemiske forbindelser. Etter hvert som mikrofluidisk forskning har utviklet seg de siste 30 årene, har myk litografi blitt den mest populære mikrofabrikasjonsteknikken for å produsere mikrochips laget av poly (dimetylsiloksan) (PDMS) eller lignende stoffer. Disse mikrochips har blitt mye brukt til miniatyrisering av vanlige laboratoriepraksiser1,2,3,4 og har blitt kraftige forskningsverktøy for ingeniører for å etterligne reaksjonsprosesser5,6,7, studere reaksjonsmekanismer og etterligne organer som finnes i menneskekroppen in vitro (f.eks. organ-på-en-chip)8,9,10. Etter hvert som kompleksiteten i applikasjonen øker, er det imidlertid typisk at en mer kompleks mikrofluidisk enhetsdesign gir bedre replikering av det virkelige systemet det er ment å etterligne.
Den grunnleggende myke litografiprosedyren innebærer å belegge et substrat med et fotoresistisk stoff og plassere en fotomaske over det belagte substratet før du utsetter substratet for UV-lys11. Fotomasken har gjennomsiktige områder som etterligner ønsket mønster av mikrofluidiske enhetskanaler. Når du utsetter det belagte substratet for UV-lys, tillater de gjennomsiktige områdene UV-lyset å trenge gjennom fotomasken, noe som får fotoresisten til å bli krysskoblet. Etter eksponeringstrinnet vaskes den ikke-krysskoblede fotoresisten bort ved hjelp av en utvikler, og etterlater faste strukturer med det tiltenkte mønsteret. Etter hvert som kompleksiteten til mikrofluidiske enheter blir større, krever de flerlagskonstruksjon med ekstremt presise dimensjoner. Prosessen med flerlags mikrofabrikasjon er mye vanskeligere sammenlignet med enkeltlags mikrofabrikasjon.
Multilayer mikrofabrikasjon krever presis justering av de første lagfunksjonene med designene på den andre masken. Normalt utføres denne prosessen ved hjelp av en kommersiell maskejustering, som er dyr og krever opplæring for å betjene maskinene. Dermed er prosessen med flerlags mikrofabrikasjon vanligvis uoppnåelig for mindre laboratorier som mangler midler eller tid til slike bestrebelser. Mens flere andre spesialbygde maskejusteringer er utviklet, krever disse systemene ofte kjøp og montering av mange forskjellige deler og kan fortsatt være ganske komplekse12,13,14. Dette er ikke bare dyrt for mindre laboratorier, men krever også tid og opplæring for å bygge, forstå og bruke systemet. Maskejusteringen som er beskrevet i dette dokumentet, forsøkte å lindre disse problemene, da det ikke er behov for kjøp av ekstra utstyr, og krever bare utstyr som vanligvis allerede er til stede i laboratorier som produserer og bruker mikrofluidiske enheter. I tillegg er maskejusteringen fremstilt av 3D-utskrift, som med den nylige utviklingen av 3D-utskriftsteknologi har blitt lett tilgjengelig for de fleste laboratorier og universiteter til en overkommelig pris.
Protokollen som er beskrevet i dette dokumentet, tar sikte på å skape en kostnadseffektiv og brukervennlig alternativ maskejustering. Maskejustereren som er beskrevet her, kan gjøre multilayer mikrofabrikasjon mulig for forskningslaboratorier uten konvensjonelle fabrikasjonsanlegg. Ved hjelp av mikroskopmaskejusteringsadapteren (MMAA) kan funksjonelle mikrobrikker med komplekse funksjoner oppnås ved hjelp av en vanlig UV-lyskilde, optisk mikroskop og vanlig laboratorieutstyr. Resultatene viser at MMAA fungerer bra med et eksempelsystem ved hjelp av et oppreist mikroskop og en UV-lyseksponeringsboks. MMAA produsert ved hjelp av 3D-utskriftsprosessen ble brukt til å skaffe en bilayer master mold av en sildben mikrofluidisk enhet med minimal justeringsfeil. Ved hjelp av masterformen fremstilt med en 3D-trykt MMAA ble mikrofluidiske enheter tilberedt med flerlagsstrukturer som inneholder justeringsfeil på < 10 μm. Justeringsfeilen på <10 μm er minimal nok til ikke å hindre anvendelsen av den mikrofluidiske enheten.
I tillegg ble den vellykkede justeringen av en firelags masterform produsert ved hjelp av MMAA bekreftet, og justeringsfeil ble fastslått å være < 10 μm. Funksjonaliteten til den mikrofluidiske enheten og minimale justeringsfeil validerer vellykket bruk av MMAA ved oppretting av flerlags mikrofluidiske enheter. MMAA kan tilpasses for å passe til ethvert mikroskop og UV-eksponeringssystem ved å gjøre mindre endringer i filen i 3D-skriveren. Følgende protokoll beskriver trinnene som er nødvendige for å finjustere MMAA slik at det passer til utstyret som er tilgjengelig i hvert laboratorium, og 3D-print MMAA med de nødvendige spesifikasjonene. I tillegg beskriver protokollen hvordan man utvikler en flerlags masterform ved hjelp av systemet og deretter produserer PDMS mikrofluidiske enheter ved hjelp av masterformen. Generering av master mold og mikrofluidic chips tillater deretter brukeren å teste effektiviteten av systemet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den nevnte protokollen skisserer prosedyren for 3D-utskrift av en MMAA og bruk av systemet til å lage en presis, flerlags, mikrofluidisk enhetsmasterform. Selv om enheten er enkel å bruke, er det kritiske trinn i protokollen som krever øvelse og omsorg for å sikre riktig justering av masterformlagene. Det første kritiske trinnet er utformingen av MMAA. Det er viktig når du designer MMAA for å bestemme de nøyaktige målene for enheten som gir riktig passform inne i UV-lyseksponeringssystemet. En feiljustering av e…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å anerkjenne Center for Transformative Undergraduate Experiences fra Texas Tech University for å gi finansiering til dette prosjektet. Forfatterne ønsker også å anerkjenne støtte fra Chemical Engineering Department ved 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 |
Riferimenti
- Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
- Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
- Kong, D. S., Carr, P. A., Chen, L., Zhang, S., Jacobson, J. M. Parallel gene synthesis in a microfluidic device. Nucleic Acids Research. 35 (8), 61 (2007).
- Yang, M., Li, C. -. W., Yang, J. Cell docking and on-chip monitoring of cellular reactions with a controlled concentration gradient on a microfluidic device. Analytical Chemistry. 74 (16), 3991-4001 (2002).
- Keles, H., et al. Development of a robust and reusable microreactor employing laser based mid-IR chemical imaging for the automated quantification of reaction kinetics. Organic Process Research & Development. 21 (11), 1761-1768 (2017).
- Losey, M. W., Jackman, R. J., Firebaugh, S. L., Schmidt, M. A., Jensen, K. F. Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction. Journal of Microelectromechanical Systems. 11 (6), 709-717 (2002).
- Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
- Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
- Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 33 (1), 43-48 (2018).
- Lee, H., et al. A pumpless Multi-Organ-on-a-Chip (MOC) combined with a Pharmacokinetic-Pharmacodynamic (PK-PD) model. Biotechnology and Bioengineering. 114 (2), 432-443 (2017).
- Kang, S. -. W., Wang, M. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. , 403-426 (2010).
- Challa, P. K., Kartanas, T., Charmet, J., Knowles, T. P. J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LED-lithography patterning. Biomicrofluidics. 11, 014113 (2017).
- Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
- Pham, Q. L., Tong, N. -. A. N., Mathew, A., Voronov, R. S. A compact low-cost low-maintenance open architecture mask aligner for fabrication of multilayer microfluidics devices. Biomicrofluidics. 12 (4), 044119 (2018).
- Ravi, T., Ranganathan, R., Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. , 189-198 (2019).
- SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020)
