Design e desenvolvimento de um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas
Summary
Este projeto permite que pequenos laboratórios desenvolvam uma plataforma fácil de usar para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas precisos. A plataforma consiste em um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente usando o qual dispositivos microfluidos multicamadas com erros de alinhamento de < 10 μm foram alcançados.
Abstract
Este projeto visa desenvolver uma plataforma fácil de usar e econômica para a fabricação de dispositivos microfluidos precisos e multicamadas, que normalmente só podem ser alcançados usando equipamentos caros em um ambiente de sala limpa. A parte chave da plataforma é um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensional (3D) (MMAA) compatível com microscópios ópticos regulares e sistemas de exposição à luz ultravioleta (UV). O processo global de criação do dispositivo foi muito simplificado por causa do trabalho feito para otimizar o design do dispositivo. O processo implica encontrar as dimensões adequadas para os equipamentos disponíveis no laboratório e imprimir em 3D o MMAA com as especificações otimizadas. Os resultados experimentais mostram que o MMAA otimizado projetado e fabricado pela impressão 3D funciona bem com um microscópio comum e sistema de exposição à luz. Utilizando um molde mestre preparado pelo MMAA impresso em 3D, os dispositivos microfluidos resultantes com estruturas multicamadas contêm erros de alinhamento de < 10 μm, o que é suficiente para microchips comuns. Embora o erro humano através do transporte do dispositivo para o sistema de exposição à luz UV possa causar maiores erros de fabricação, os erros mínimos alcançados neste estudo são alcançáveis com a prática e o cuidado. Além disso, o MMAA pode ser personalizado para se encaixar em qualquer microscópio e sistema de exposição UV, fazendo alterações no arquivo de modelagem no sistema de impressão 3D. Este projeto fornece aos laboratórios menores uma ferramenta de pesquisa útil, pois requer apenas o uso de equipamentos que normalmente já estão disponíveis para laboratórios que produzem e usam dispositivos microfluidos. O protocolo detalhado a seguir descreve o processo de design e impressão 3D para o MMAA. Além disso, também são descritos os passos para a aquisição de um molde mestre multicamadas usando o MMAA e produzindo chips microfluidos poli (dimetilsiloxano) (PDMS).
Introduction
Um campo bem desenvolvido e promissor em pesquisa de engenharia é a microfabidade devido à vasta extensão de aplicações que empregam plataformas microfluídicas. Microfabricação é um processo em que estruturas são produzidas com características de μm ou tamanho menor usando diferentes compostos químicos. Como a pesquisa microfluida se desenvolveu nos últimos 30 anos, a litografia macia tornou-se a técnica de microfabbricação mais popular com a qual produzir microchips feitos de poli (dimetilsiloxano) (PDMS) ou substâncias similares. Esses microchips têm sido amplamente utilizados para a miniaturização de práticas laboratoriais comuns1,2,3,4 e tornaram-se poderosas ferramentas de pesquisa para os engenheiros imitarem processos de reação5,6,7, mecanismos de reação de estudo e imitar órgãos encontrados no corpo humano in vitro (por exemplo, órgão-em-um-chip)8,9,10. No entanto, à medida que a complexidade do aplicativo aumenta, é típico que um design de dispositivo microfluido mais complexo permita uma melhor replicação do sistema da vida real que se pretende imitar.
O procedimento básico de litografia macia envolve o revestimento de um substrato com uma substância fotoresistista e a colocação de uma máscara sobre o substrato revestido antes de submeter o substrato à luz UV11. A máscara fotográfica possui regiões transparentes que imitam o padrão desejado dos canais do dispositivo microfluido. Ao submeter o substrato revestido à luz UV, as regiões transparentes permitem que a luz UV penetre através da máscara fotográfica, fazendo com que o fotoresist seja cruzado. Após a etapa de exposição, o fotoresist não-transligado é lavado usando um desenvolvedor, deixando estruturas sólidas com o padrão pretendido. À medida que a complexidade dos dispositivos microfluidos se torna maior, eles requerem construção em várias camadas com dimensões extremamente precisas. O processo de microfabização multicamadas é muito mais difícil em comparação com a microfabização de camada única.
A microfabização multicamadas requer um alinhamento preciso dos recursos da primeira camada com os desenhos na segunda máscara. Normalmente, esse processo é realizado utilizando um alinhador de máscaras comerciais, que é caro e requer treinamento para operar as máquinas. Assim, o processo de microfabização multicamadas é tipicamente inatingível para laboratórios menores que não têm recursos ou tempo para tais empreendimentos. Embora vários outros alinhadores de máscaras personalizados tenham sido desenvolvidos, esses sistemas muitas vezes exigem a compra e montagem de muitas peças diferentes e ainda podem ser bastante complexos12,13,14. Isso não é apenas caro para laboratórios menores, mas também requer tempo e treinamento para construir, entender e usar o sistema. O alinhador de máscaras detalhado neste artigo buscou aliviar essas questões, pois não há necessidade de compra de equipamentos adicionais, exigindo apenas equipamentos que normalmente já estão presentes em laboratórios que produzem e utilizam dispositivos microfluidos. Além disso, o alinhador de máscaras é fabricado pela impressão 3D, que com o recente avanço da tecnologia de impressão 3D, tornou-se prontamente disponível para a maioria dos laboratórios e universidades a um custo acessível.
O protocolo detalhado neste artigo visa criar um alinhador de máscaras alternativa de fácil funcionamento e econômico. O alinhador de máscaras aqui detalhado pode viabilizar a microfabização multicamadas para laboratórios de pesquisa sem instalações convencionais de fabricação. Usando o adaptador de alinhamento da máscara de microscópio (MMAA), microchips funcionais com características complexas podem ser alcançados usando uma fonte de luz UV regular, microscópio óptico e equipamentos de laboratório comuns. Os resultados mostram que o MMAA tem um bom desempenho com um sistema de exemplo usando um microscópio vertical e uma caixa de exposição à luz UV. O MMAA produzido utilizando o processo de impressão 3D foi usado para adquirir um molde mestre bicamada de um dispositivo microfluido herringbone com erros mínimos de alinhamento. Utilizando o molde mestre fabricado com um MMAA impresso em 3D, dispositivos microfluidos foram preparados com estruturas multicamadas contendo erros de alinhamento de < 10 μm. O erro de alinhamento de <10 μm é mínimo o suficiente para não dificultar a aplicação do dispositivo microfluido.
Além disso, foi confirmado o alinhamento bem sucedido de um molde mestre de quatro camadas produzido com o MMAA, e erros de alinhamento foram determinados como < 10 μm. A funcionalidade do dispositivo microfluido e erros mínimos de alinhamento validam a aplicação bem sucedida do MMAA na criação de dispositivos microfluidos multicamadas. O MMAA pode ser personalizado para caber em qualquer microscópio e sistema de exposição UV, fazendo pequenas alterações no arquivo na impressora 3D. O protocolo a seguir descreve as etapas necessárias para ajustar o MMAA para adequar o equipamento disponível em cada laboratório e imprimir em 3D o MMAA com as especificações necessárias. Além disso, o protocolo detalha como desenvolver um molde mestre multicamadas usando o sistema e, posteriormente, produzir dispositivos microfluidos PDMS usando o molde mestre. A geração do molde mestre e dos chips microfluidos permite que o usuário teste a eficácia do sistema.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo acima mencionado descreve o procedimento para impressão 3D de um MMAA e o uso do sistema para criar um molde mestre preciso, multicamada, dispositivo microfluido. Embora o dispositivo seja fácil de usar, existem passos críticos dentro do protocolo que requerem prática e cuidado para garantir o alinhamento adequado das camadas de molde mestre. O primeiro passo crítico é o design do MMAA. É essencial ao projetar o MMAA para determinar as medidas exatas para o dispositivo que permitirá um ajuste adequado…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de reconhecer o Centro de Experiências Transformadoras de Graduação da Texas Tech University por fornecer financiamento para este projeto. Os autores também gostariam de reconhecer o apoio do Departamento de Engenharia Química da 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)
