תכנון ופיתוח מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ תלת מימדי לייצור התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים
Summary
פרויקט זה מאפשר למעבדות קטנות לפתח פלטפורמה קלה לשימוש לייצור מכשירים מיקרופלואידיים מדויקים מרובי שכבות. הפלטפורמה מורכבת מתאם יישור מסכת מיקרוסקופ מודפס תלת מימדי באמצעותו הושגו התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים עם שגיאות יישור של <10 מיקרומטר.
Abstract
פרויקט זה נועד לפתח פלטפורמה קלה לשימוש וחסכונית לייצור מכשירים מיקרופלואידיים מדויקים ורב שכבתיים, שבדרך כלל ניתן להשיג רק באמצעות ציוד יקר בסביבת חדר נקי. החלק המרכזי של הפלטפורמה הוא מתאם יישור מסכת מיקרוסקופ מודפס תלת מימדי (MMAA) התואם למיקרוסקופים אופטיים רגילים ומערכות חשיפה לאור אולטרה סגולות (UV). התהליך הכולל של יצירת ההתקן היה פשוט בהרבה בגלל העבודה שנעשתה כדי למטב את עיצוב ההתקן. התהליך כרוך במציאת הממדים המתאימים לציוד הזמין במעבדה והדפסת תלת-ממד של MMAA עם המפרטים הממוטבים. תוצאות הניסוי מראות כי MMAA ממוטב תוכנן ומיוצר על ידי הדפסה 3D ביצועים טובים עם מיקרוסקופ משותף ומערכת חשיפה לאור. באמצעות תבנית מאסטר שהוכנה על ידי MMAA בהדפסה תלת-ממדית, ההתקנים המיקרופלואידיים המתקבלים עם מבנים רב שכבתיים מכילים שגיאות יישור של <10 מיקרומטר, אשר מספיק עבור שבבים נפוצים. למרות ששגיאת אנוש באמצעות הובלת המכשיר למערכת החשיפה לאור UV עלולה לגרום לשגיאות ייצור גדולות יותר, השגיאות המינימליות שהושגו במחקר זה ניתנות להשגה עם תרגול וטיפול. יתר על כן, ניתן להתאים אישית את MMAA כך שיתאים לכל מיקרוסקופ ומערכת חשיפה לקרינת UV על ידי ביצוע שינויים בקובץ הדוגמנות במערכת ההדפסה התלת-ממדית. פרויקט זה מספק מעבדות קטנות יותר עם כלי מחקר שימושי כפי שהוא דורש רק את השימוש בציוד כי הוא בדרך כלל כבר זמין למעבדות המייצרות ולהשתמש במכשירים microfluidic. הפרוטוקול המפורט הבא מתאר את העיצוב ואת תהליך ההדפסה בתלת-ממד עבור MMAA. בנוסף, השלבים להשגת תבנית מאסטר רב שכבתית באמצעות MMAA והפקת שבבים מיקרופלואידיים פולי (דימתילסילוקסן) (PDMS) מתוארים גם כאן.
Introduction
תחום מפותח ומבטיח במחקר הנדסי הוא מיקרו-פיכחון בגלל המרחב העצום של יישומים המעסיקים פלטפורמות מיקרופלואידיות. Microfabrication הוא תהליך שבו מבנים מיוצרים עם תכונות בגודל מיקרומטר או קטן יותר באמצעות תרכובות כימיות שונות. ככל שהתפתח מחקר מיקרופלואידי במהלך 30 השנים האחרונות, ליטוגרפיה רכה הפכה לטכניקת המיקרו-פיבריות הפופולרית ביותר שבאמצעותה ניתן לייצר שבבים העשויים מפולי (דימתילסילוקסן) (PDMS) או חומרים דומים. שבבים אלה שימשו באופן נרחב למזעור שיטותמעבדהנפוצות 1,2,3,4 והפכו לכלי מחקר רביעוצמה עבור מהנדסים לחקות תהליכיתגובה 5,6,7, מנגנוני תגובה מחקר, ולחקות איברים שנמצאו בגוף האדם במבחנה (למשל, איבר על שבב)8,9,10. עם זאת, ככל שהמורכבות של היישום גדלה, אופייני כי עיצוב מכשיר מיקרופלואידי מורכב יותר מאפשר שכפול טוב יותר של מערכת החיים האמיתיים שהוא נועד לחקות.
הליך הליתוגרפיה הרכה הבסיסית כרוך בציפוי מצע בחומר פוטוארסיסטי והצבת מסכת פוטו מעל המצע המצופה לפני חשיפת המצע לאור UV11. מסכת הצילום כוללת אזורים שקופים המחקים את התבנית הרצויה של ערוצי ההתקן המיקרופלואידיים. כאשר חושפים את המצע המצופה לאור UV, האזורים השקופים מאפשרים לאור UV לחדור דרך מסכת הצילום, מה שגורם לפוטורסיסט להיות מוצלב. לאחר שלב החשיפה, הפוטורסיסט הלא מקושר נשטף באמצעות מפתח, ומשאיר מבנים מוצקים עם התבנית המיועדת. ככל שהמורכבות של המכשירים המיקרופלואידיים גדלה, הם דורשים בנייה מרובת שכבות עם ממדים מדויקים ביותר. תהליך המיקרו-פייברציה הרב שכבתית קשה הרבה יותר בהשוואה למיקרו-פייברציה חד שכבתית.
מיקרו-פייבר רב שכבתי דורש יישור מדויק של תכונות השכבה הראשונה עם העיצובים במסכה השנייה. בדרך כלל, תהליך זה מתבצע באמצעות קשת מסכה מסחרית, שהיא יקרה ודורש הכשרה להפעלת המכונות. לכן, התהליך של microfabrication multilayer הוא בדרך כלל בלתי מושג עבור מעבדות קטנות יותר כי חסרים את הכספים או זמן עבור מאמצים כאלה. בעוד כמה קשתות מסכה מותאמות אישית אחרות פותחו, מערכות אלה דורשות לעתים קרובות רכישה והרכבה של חלקים רבים ושונים ועדיין יכולות להיות מורכבות למדי12,13,14. זה לא רק יקר עבור מעבדות קטנות יותר, אלא גם דורש זמן והכשרה כדי לבנות, להבין, ולהשתמש במערכת. מיישר המסכות המפורט במאמר זה ביקש להקל על בעיות אלה מכיוון שאין צורך ברכישת ציוד נוסף, אלא רק דורש ציוד שבדרך כלל כבר קיים במעבדות המייצרות ומשתמשות במכשירים מיקרופלואידיים. בנוסף, קשת המסכות מפוברקת על ידי הדפסה בתלת-ממד, שעם ההתקדמות האחרונה של טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד, הפכה לזמינה לרוב המעבדות והאוניברסיטאות בעלות סבירה.
הפרוטוקול המפורט במאמר זה נועד ליצור קשת מסיכה חלופית חסכונית וקלה להפעלה. מיישר המסכות המפורט כאן יכול להפוך את המיקרו-פייברציה הרב שכבתית לאפשרית למעבדות מחקר ללא מתקני ייצור קונבנציונליים. באמצעות מתאם יישור מסכת המיקרוסקופ (MMAA), ניתן להשיג שבבים פונקציונליים עם תכונות מורכבות באמצעות מקור אור UV רגיל, מיקרוסקופ אופטי וציוד מעבדה משותף. התוצאות מראות כי MMAA מבצע היטב עם מערכת לדוגמה באמצעות מיקרוסקופ זקוף תיבת חשיפה לאור UV. MMAA המיוצר באמצעות תהליך ההדפסה 3D שימש לרכישת תבנית מאסטר bilayer של התקן microfluidic הרינגבון עם שגיאות יישור מינימליות. באמצעות תבנית האב מפוברקת עם MMAA מודפס 3D, התקנים microfluidic הוכנו עם מבנים רב שכבתיים המכיל שגיאות יישור של <10 מיקרומטר. שגיאת היישור של <10 מיקרומטר היא מינימלית מספיק כדי לא לעכב את היישום של המכשיר microfluidic.
בנוסף, היישור המוצלח של תבנית מאסטר ארבע שכבות המיוצר באמצעות MMAA אושר, ושגיאות יישור נקבעו להיות <10 מיקרומטר. הפונקציונליות של ההתקן microfluidic ושגיאות יישור מינימלי לאמת את היישום המוצלח של MMAA ביצירת התקנים microfluidic רב שכבתי. ניתן להתאים אישית את MMAA כך שיתאים לכל מיקרוסקופ ומערכת חשיפה לקרינת UV על-ידי ביצוע שינויים קלים בקובץ במדפסת תלת-ממד. הפרוטוקול הבא מתאר את השלבים הדרושים להתאמה עדינה של MMAA כך שתתאים לציוד הזמין בכל מעבדה ולהדפיס בתלת-ממד את ה- MMAA עם המפרטים הנדרשים. בנוסף, הפרוטוקול מפרט כיצד לפתח תבנית מאסטר רב שכבתית באמצעות המערכת ולאחר מכן לייצר התקנים microfluidic PDMS באמצעות עובש מאסטר. יצירת עובש מאסטר ושבבים מיקרופלואידיים מאפשרת למשתמש לבדוק את האפקטיביות של המערכת.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנ”ל מתאר את ההליך להדפסת 3D MMAA ושימוש במערכת ליצירת תבנית אב מדויקת, רב שכבתית, מיקרופלואידית. למרות שההתקן קל לשימוש, ישנם שלבים קריטיים בפרוטוקול הדורשים תרגול וטיפול כדי להבטיח יישור נכון של שכבות תבנית הבסיס. הצעד הקריטי הראשון הוא העיצוב של MMAA. זה חיוני בעת תכנון MMAA כדי לקבוע…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר את המרכז לחוויות תואר ראשון טרנספורמטיבי מאוניברסיטת טקסס טק למתן מימון לפרויקט זה. המחברים גם רוצים להכיר בתמיכת המחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת טקסס טק.
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
- 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)
