Conception et développement d’un adaptateur d’alignement de masque de microscope imprimé en trois dimensions pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches
Summary
Ce projet permet aux petits laboratoires de développer une plateforme facile à utiliser pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis. La plate-forme se compose d’un adaptateur d’alignement de masque de microscope imprimé en trois dimensions à l’aide duquel des dispositifs microfluidiques multicouches avec des erreurs d’alignement de <10 μm ont été réalisés.
Abstract
Ce projet vise à développer une plate-forme facile à utiliser et rentable pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis, ce qui ne peut généralement être réalisé qu’en utilisant un équipement coûteux dans une salle blanche. L’élément clé de la plate-forme est un adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA) imprimé en trois dimensions (3D) compatible avec les microscopes optiques ordinaires et les systèmes d’exposition à la lumière ultraviolette (UV). Le processus global de création de l’appareil a été considérablement simplifié en raison du travail effectué pour optimiser la conception de l’appareil. Le processus consiste à trouver les dimensions appropriées pour l’équipement disponible en laboratoire et à imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications optimisées. Les résultats expérimentaux montrent que le MMAA optimisé conçu et fabriqué par impression 3D fonctionne bien avec un microscope commun et un système d’exposition à la lumière. À l’aide d’un moule maître préparé par le MMAA imprimé en 3D, les dispositifs microfluidiques résultants avec des structures multicouches contiennent des erreurs d’alignement de <10 μm, ce qui est suffisant pour les micropuces courantes. Bien que l’erreur humaine lors du transport de l’appareil vers le système d’exposition aux rayons UV puisse entraîner des erreurs de fabrication plus importantes, les erreurs minimales obtenues dans cette étude peuvent être obtenues avec pratique et soin. De plus, le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications au fichier de modélisation dans le système d’impression 3D. Ce projet fournit aux petits laboratoires un outil de recherche utile car il ne nécessite que l’utilisation d’équipements qui sont généralement déjà disponibles pour les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. Le protocole détaillé suivant décrit le processus de conception et d’impression 3D pour le MMAA. En outre, les étapes d’acquisition d’un moule maître multicouche utilisant le MMAA et de production de puces microfluidiques en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) sont également décrites ici.
Introduction
Un domaine bien développé et prometteur dans la recherche en ingénierie est la microfabrication en raison de la vaste étendue des applications utilisant des plates-formes microfluidiques. La microfabrication est un processus dans lequel les structures sont produites avec des caractéristiques de taille μm ou plus petite en utilisant différents composés chimiques. Au fur et à mesure que la recherche microfluidique s’est développée au cours des 30 dernières années, la lithographie douce est devenue la technique de microfabrication la plus populaire pour produire des micropuces en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) ou des substances similaires. Ces micropuces ont été largement utilisées pour la miniaturisation des pratiques de laboratoire courantes1,2,3,4 et sont devenues de puissants outils de recherche pour les ingénieurs pour imiter les processus de réaction5,6,7, étudier les mécanismes de réaction et imiter les organes trouvés dans le corps humain in vitro (par exemple, organe sur puce)8,9,10. Cependant, à mesure que la complexité de l’application augmente, il est typique qu’une conception de dispositif microfluidique plus complexe permette une meilleure réplication du système réel qu’il est destiné à imiter.
La procédure de lithographie douce de base consiste à recouvrir un substrat d’une substance photorésistante et à placer un photomasque sur le substrat revêtu avant de soumettre le substrat à la lumière UV11. Le photomasque a des régions transparentes qui imitent le motif souhaité des canaux microfluidiques du dispositif. Lors de la mise en service du substrat revêtu à la lumière UV, les régions transparentes permettent à la lumière UV de pénétrer à travers le photomasque, ce qui provoque la réticulation de la résine photosensible. Après l’étape d’exposition, la photorésisse non réticulée est emportée à l’aide d’un révélateur, laissant des structures solides avec le motif prévu. À mesure que la complexité des dispositifs microfluidiques augmente, ils nécessitent une construction à plusieurs couches avec des dimensions extrêmement précises. Le processus de microfabrication multicouche est beaucoup plus difficile que la microfabrication monocouche.
La microfabrication multicouche nécessite un alignement précis des caractéristiques de la première couche avec les conceptions du deuxième masque. Normalement, ce processus est effectué à l’aide d’un aligneur de masque commercial, ce qui est coûteux et nécessite une formation pour faire fonctionner la machine. Ainsi, le processus de microfabrication multicouche est généralement inaccessible pour les petits laboratoires qui n’ont pas les fonds ou le temps nécessaires pour de telles entreprises. Alors que plusieurs autres aligneurs de masques sur mesure ont été développés, ces systèmes nécessitent souvent l’achat et l’assemblage de nombreuses pièces différentes et peuvent encore être assez complexes12,13,14. Cela est non seulement coûteux pour les petits laboratoires, mais nécessite également du temps et de la formation pour construire, comprendre et utiliser le système. L’aligneur de masque détaillé dans ce document visait à atténuer ces problèmes car il n’est pas nécessaire d’acheter de l’équipement supplémentaire, nécessitant uniquement un équipement qui est généralement déjà présent dans les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. En outre, l’aligneur de masque est fabriqué par impression 3D, qui, avec les progrès récents de la technologie d’impression 3D, est devenue facilement disponible pour la plupart des laboratoires et des universités à un coût abordable.
Le protocole détaillé dans ce document vise à créer un aligneur de masque alternatif rentable et facile à utiliser. L’aligneur de masque détaillé ici peut rendre la microfabrication multicouche réalisable pour les laboratoires de recherche sans installations de fabrication conventionnelles. En utilisant l’adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA), des micropuces fonctionnelles aux caractéristiques complexes peuvent être obtenues à l’aide d’une source de lumière UV ordinaire, d’un microscope optique et d’un équipement de laboratoire commun. Les résultats montrent que le MMAA fonctionne bien avec un exemple de système utilisant un microscope vertical et une boîte d’exposition à la lumière UV. Le MMAA produit à l’aide du procédé d’impression 3D a été utilisé pour acquérir un moule maître bicouche d’un dispositif microfluidique à chevrons avec un minimum d’erreurs d’alignement. À l’aide du moule maître fabriqué avec un MMAA imprimé en 3D, des dispositifs microfluidiques ont été préparés avec des structures multicouches contenant des erreurs d’alignement de 10 μm <. L’erreur d’alignement de <10 μm est suffisamment minime pour ne pas entraver l’application du dispositif microfluidique.
En outre, l’alignement réussi d’un moule maître à quatre couches produit à l’aide du MMAA a été confirmé et les erreurs d’alignement ont été déterminées comme 10 μm <. La fonctionnalité du dispositif microfluidique et les erreurs d’alignement minimales valident l’application réussie du MMAA dans la création de dispositifs microfluidiques multicouches. Le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications mineures au fichier dans l’imprimante 3D. Le protocole suivant décrit les étapes nécessaires pour affiner le MMAA afin de l’adapter à l’équipement disponible dans chaque laboratoire et imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications requises. En outre, le protocole détaille comment développer un moule maître multicouche à l’aide du système et produire ensuite des dispositifs microfluidiques PDMS à l’aide du moule maître. La génération du moule maître et des puces microfluidiques permet ensuite à l’utilisateur de tester l’efficacité du système.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole susmentionné décrit la procédure d’impression 3D d’un MMAA et d’utilisation du système pour créer un moule maître de dispositif microfluidique précis et multicouche. Bien que l’appareil soit facile à utiliser, il existe des étapes critiques dans le protocole qui nécessitent de la pratique et des soins pour assurer un bon alignement des couches de moule principales. La première étape critique est la conception du MMAA. Lors de la conception du MMAA, il est essentiel de déterminer les mesu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier le Center for Transformative Undergraduate Experiences de la Texas Tech University d’avoir financé ce projet. Les auteurs tiennent également à remercier le département de génie chimique de la 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 |
References
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