设计和开发用于制造多层微流体设备的三维打印显微镜面膜对齐适配器
Summary
该项目允许小型实验室开发一个易于使用的平台，用于制造精确的多层微流体设备。该平台由三维打印显微镜面罩对齐适配器组成，使用该适配器实现了多层微流体设备，对齐误差为 <10 μm。
Abstract
该项目旨在开发一个易于使用且经济高效的平台，用于制造精确的多层微流体设备，通常只能在洁净室环境中使用昂贵的设备才能实现。平台的关键部分是三维（3D）打印显微镜面罩对齐适配器（MMAA），与常规光学显微镜和紫外线（UV）光照射系统兼容。由于为优化设备设计所做的工作，创建设备的整体过程已大大简化。这个过程需要为实验室中可用的设备找到合适的尺寸，并使用优化的规格对MMAA进行3D打印。实验结果表明，3D打印设计制造的优化MMAA在普通显微镜和光照系统下表现良好。使用由 3D 打印 MMAA 制备的主模具，生成的具有多层结构的微流体设备包含 10 μm <对齐误差，这足以满足普通微芯片的需求。虽然通过将设备转移到紫外线照射系统的人为错误会导致更大的制造错误，但通过实践和小心，本研究中实现的最小错误是可以实现的。此外，可以通过更改 3D 打印系统中的建模文件来定制 MMAA 以适应任何显微镜和紫外线照射系统。该项目为较小的实验室提供了有用的研究工具，因为它只需要使用通常已经为生产和使用微流体设备的实验室提供的设备。以下详细协议概述了 MMAA 的设计和 3D 打印过程。此外，还介绍了使用MMAA采购多层主模具和生产聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）微流体芯片的步骤。
Introduction
由于采用微流体平台的应用广泛，工程研究领域发展良好，前景广阔，因此微制造领域前景广阔。微制造是一种使用不同化合物产生具有 μm 或较小功能的结构的过程。随着微流体研究在过去30年的发展，软平板学已成为最流行的微制造技术，用来生产由聚（二甲基硅氧烷）或类似物质制成的微芯片。这些微芯片已广泛应用于普通实验室实践1、2、3、4的小型化，并已成为工程师模仿反应过程5、6、7、研究反应机制、模仿人体体外器官（例如芯片上的器官）8、9、10的有力研究工具。但是，随着应用程序的复杂性增加，通常更复杂的微流体设备设计能够更好地复制它要模仿的真实系统。
基本的软平板摄影程序包括用光复剂物质涂覆基板，并在涂层基板上放置光罩，然后让基板受到紫外线照射11。光面罩具有透明区域，可模仿微流体设备通道所需的模式。当涂层基板受到紫外线照射时，透明区域允许紫外线光线穿透光幕，导致光电逆向。曝光步骤后，未交叉链接的光电逆光师使用开发人员冲走，留下具有预期图案的坚固结构。随着微流体设备的复杂性越来越大，它们需要具有极其精确尺寸的多层结构。与单层微制造相比，多层微制造过程要困难得多。
多层微制造需要将第一层特征与第二层面膜的设计精确对齐。通常，此过程使用商业面膜对齐器执行，成本高昂，需要培训才能操作机器。因此，对于缺乏资金或时间进行这种努力的小型实验室来说，多层微制造过程通常无法实现。虽然其他几个定制的口罩对齐器已经开发，这些系统往往需要购买和组装许多不同的零件，仍然可以相当复杂的12，13，14。这不仅对较小的实验室来说成本高昂，而且需要时间和培训来构建、理解和使用系统。本文详细介绍的口罩对齐器旨在缓解这些问题，因为无需购买其他设备，只需要生产和使用微流体设备的实验室中通常已经存在的设备。此外，口罩对齐器由 3D 打印制造，随着 3D 打印技术的最新进步，大多数实验室和大学都以负担得起的成本随时可用。
本文详细介绍的协议旨在创建一个经济高效且操作方便的替代面膜对齐器。此处详细介绍的面膜对齐器可使没有传统制造设施的研究实验室的多层微制造变得可行。使用显微镜面膜对齐适配器 （MMAA），可使用常规紫外光源、光学显微镜和通用实验室设备实现具有复杂功能的功能微芯片。结果表明，使用直立显微镜和紫外线光照射盒的示例系统MMAA性能良好。使用 3D 打印工艺生产的 MMAA 用于获得鱼骨微流体设备的双层主模具，对齐误差极小。使用 3D 打印 MMAA 制造的主模具，用多层结构制备了微流体设备，其中包含 10 μm <对齐错误。<10 μm 的对齐误差极小，不会妨碍微流体设备的应用。
此外，还确认了使用 MMAA 生产的四层主模具的成功对齐，并确定对齐误差为 < 10 μm。微流体设备的功能和最小的对齐错误验证了MMAA在创建多层微流体设备方面的成功应用。可以通过对 3D 打印机中的文件进行细微更改来定制以适应任何显微镜和紫外线照射系统。以下协议概述了微调 MMAA 以适应每个实验室可用设备和 3D 打印符合所需规格的 MMAA 所需的步骤。此外，协议详细说明了如何使用该系统开发多层主模具，然后使用主模具生产 PDMS 微流体设备。然后，生成主模具和微流体芯片，使用户能够测试系统的有效性。
Protocol
Representative Results
Discussion
上述协议概述了 3D 打印 MMAA 并利用系统创建精确、多层、微流体设备主模具的程序。虽然设备易于使用，但协议中仍有关键步骤需要实践和注意，以确保主模具层的正确对齐。第一个关键步骤是MMAA的设计。在设计 MMAA 时，确定设备的精确测量结果至关重要，因为该测量结果将允许在紫外线照射系统内进行适当的安装。设备错位会导致不均匀的紫外线照射，从而造成主模具特征的畸形。第二个关?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢德克萨斯理工大学转型本科生体验中心为该项目提供资金。作者还希望感谢得克萨斯理工大学化学工程系的支持。
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 |
References
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