多層マイクロ流体デバイスの製造用三次元プリント顕微鏡マスクアライメントアダプターの設計と開発
Summary
このプロジェクトは、小規模な研究所が精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすいプラットフォームを開発することを可能にします。このプラットフォームは、<10 μmの配向誤差を有する多層マイクロ流体デバイスを用いた3次元プリントされた顕微鏡マスクアライメントアダプタで構成されています。
Abstract
このプロジェクトは、クリーンルームの設定で高価な機器を使用してのみ達成できる、精密な多層マイクロ流体デバイスの製造のための使いやすく、費用対効果の高いプラットフォームを開発することを目的としています。プラットフォームの重要な部分は、通常の光学顕微鏡および紫外線(UV)光露光システムと互換性のある3次元(3D)プリント顕微鏡マスクアライメントアダプタ(MMAA)です。デバイスの設計を最適化する作業が行われたため、デバイスの作成プロセス全体が大幅に簡略化されました。このプロセスでは、実験室で利用可能な機器の適切な寸法を見つけ、最適化された仕様でMMAAを3Dプリントする必要があります。実験結果は、3Dプリンティングによって設計および製造された最適化されたMMAAが、一般的な顕微鏡および光露光システムで良好に機能することを示している。3DプリントされたMMAAによって作られたマスター型を使用して、多層構造を有する得られたマイクロ流体装置に<10 μmの配向誤差が含まれており、これは一般的なマイクロチップに十分である。UV光暴露システムへの装置の輸送を介した人為的ミスは、より大きな製造ミスを引き起こす可能性がありますが、この研究で達成された最小限のエラーは、実践とケアで達成可能です。さらに、MMAAは、3Dプリントシステムのモデリングファイルに変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズすることができます。このプロジェクトは、マイクロ流体装置を製造および使用する研究所が通常利用できる機器の使用のみを必要とするため、より小規模な研究所に有用な研究ツールを提供します。以下の詳細なプロトコルは、MMAA の設計と 3D 印刷プロセスの概要を示しています。また、MMAAを用いて多層マスター金型を調達し、ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)マイクロ流体チップを製造する手順も本明細書に記載する。
Introduction
マイクロ流体プラットフォームを採用したアプリケーションの広大な広がりのために、工学研究の高度かつ有望な分野は、微細加工です。微細加工は、異なる化学化合物を使用してμmまたはより小さなサイズの特徴を持つ構造を製造するプロセスです。マイクロ流体研究が過去30年間に発展してきたため、ソフトリソグラフィは、ポリ(ジメチルシロキサン)または類似物質から作られたマイクロチップを製造する最も一般的な微細加工技術となっています。これらのマイクロチップは、一般的な実験室の実践1、2、3、4の微細化に広く使用されており、エンジニアが反応プロセス5、6、7、研究反応機構、およびヒトの体内で見られる器官(例えば、臓器オンチップ)8、9、10を模倣するための強力な研究ツールとなっています。しかし、アプリケーションの複雑さが増すにつれて、より複雑なマイクロ流体デバイス設計は、模倣することを意図した現実のシステムのより良い複製を可能にすることが典型的である。
基本的なソフトリソグラフィ手順は、基板をフォトレジスト物質でコーティングし、被覆基板をUV光11に施す前に被覆された基板の上に置くことを含む。フォトマスクは、マイクロ流体デバイスチャネルの所望のパターンを模倣する透明領域を有する。被覆基板をUV光に当てると、透明領域がUV光をフォトマスクに透過させ、フォトレジストが架橋される原因となる。露光ステップの後、非架橋フォトレジストは、現像物を用いて洗い流され、意図されたパターンで固体構造を残す。マイクロ流体デバイスの複雑さが大きくなるにつれて、非常に正確な寸法を持つ多層構造が必要になります。多層微細加工のプロセスは、単層微細加工に比べてはるかに困難です。
多層微細加工では、第1層の特徴と第2マスクの設計を正確に配置する必要があります。通常、このプロセスは、高価であり、機械を操作するための訓練を必要とする商用マスクアライナーを使用して実行されます。したがって、多層微細加工のプロセスは、通常、そのような努力のための資金や時間を欠いている小規模な実験室のために達成不可能です。いくつかの他のカスタムメイドのマスクアライカが開発されているが、これらのシステムは、多くの場合、多くの異なる部品の購入と組み立てを必要とし、まだ非常に複雑な12、13、14することができます。これは、小規模な研究所の場合に高価なだけでなく、システムを構築、理解、使用するための時間とトレーニングが必要です。本稿に詳述されているマスクアライナーは、追加の機器の購入は必要なく、マイクロ流体装置を製造および使用する実験室に既に存在する機器のみを必要とするため、これらの問題を緩和しようとしました。さらに、マスクアライナーは、3Dプリンティング技術の最近の進歩に伴い、手頃なコストでほとんどの研究所や大学に容易に利用できるようになった3Dプリンティングによって製造されています。
本稿で詳述するプロトコルは、費用効果が高く、操作が容易な代替マスクアライナーを作ることを目的としている。本明細書に詳述されるマスクアライナーは、従来の製造設備を持たない研究所にとって多層微細加工を可能にすることができる。顕微鏡マスクアライメントアダプター(MMAA)を使用して、複雑な特徴を持つ機能性マイクロチップは、通常のUV光源、光学顕微鏡、および一般的な実験装置を使用して達成することができます。結果は、MMAAが直立顕微鏡とUV光暴露ボックスを使用したサンプルシステムで良好に機能することを示しています。3D印刷プロセスを用いて製造されたMMAAは、最小の配位置誤差を伴うヘリンボーンマイクロ流体デバイスの二層マスター金型を取得するために使用された。3DプリントMMAAで製作されたマスターモールドを使用して、マイクロ流体デバイスは、<10 μmのアライメントエラーを含む多層構造で調製しました。<10 μmのアライメント誤差は、マイクロ流体デバイスの適用を妨げないように十分に最小限に抑えられます。
また、MMAAを用いて製造された4層マスターモールドのアライメントが成功し、位置合わせ誤差が<10μmと判定されました。マイクロ流体デバイスの機能と最小のアライメントエラーは、マルチレイヤマイクロ流体デバイスの作成におけるMMAAの正常な適用を検証します。MMAAは、3Dプリンタでファイルに小さな変更を加えることで、顕微鏡やUV露光システムに合わせてカスタマイズできます。以下のプロトコルは、各ラボで利用可能な機器に合わせて MMAA を微調整し、必要な仕様で MMAA を 3D プリントするために必要な手順を概説します。さらに、このプロトコルは、システムを使用して多層マスター金型を開発し、その後、マスターモールドを使用してPDMSマイクロ流体デバイスを生成する方法を詳述しています。マスターモールドとマイクロ流体チップの生成は、ユーザーがシステムの有効性をテストすることができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
前述のプロトコルは、MMAAを3Dプリントし、システムを使用して正確な、多層、マイクロ流体デバイスマスター金型を作成するための手順を概説します。装置は使いやすいが、マスターモールド層の適切な位置合わせを確実にするために練習と注意を必要とするプロトコル内の重要なステップがある。最初の重要なステップは、MMAAの設計です。MMAA を設計する際には、UV 光露光システム内で適?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、このプロジェクトのための資金を提供するためのテキサス工科大学からの変革的な学部体験センターを認めたいと思います.著者らはまた、テキサス工科大学の化学工学部からの支援を認めたいと考えています。
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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