One-Step Ansatz zur Herstellung von Polydimethylsiloxan mikrofluidische Kanäle von verschiedenen geometrischen Abschnitte durch sequentielle Nassätzen Prozesse

Summary

Für die Herstellung der Kanäle nicht-rechteckige Abschnitte eingebettet in Polydimethylsiloxan mikrofluidischen Geräte gibt es mehrere Methoden. Die meisten von ihnen beinhalten mehrstufige Fertigung und umfassende Ausrichtung. In diesem Papier ist ein ein-Schritt-Ansatz zur Herstellung von mikrofluidischen Kanäle von verschiedenen geometrischen Querschnitte von Polydimethylsiloxan sequentielle Nassätzen gemeldet.

Abstract

Polydimethylsiloxan (PDMS) Materialien sind wesentlich ausgenutzt, um mikrofluidischen Geräten mit weichen Lithographie Replik Formteil Techniken zu fabrizieren. Maßgeschneiderte Kanal-Layout-Designs sind für bestimmte Funktionen und integrierten Performance von mikrofluidischen Geräten in zahlreichen chemischen und biomedizinischen Anwendungen (z. B. Zellkultur, Biosensoren, chemische Synthese und Handhabung von Flüssigkeiten) notwendig. Aufgrund der Beschaffenheit der Guß Ansätze mit Silizium-Wafer mit Fotolack Schichten als Meister-Schimmel durch Photolithographie gemustert haben mikrofluidische Kanäle häufig regelmäßige Querschnitte von rechteckigen Formen mit identischen Höhen. In der Regel Kanäle mit mehreren Höhen oder verschiedene geometrische Abschnitte sollen dazu dienen, bestimmte Funktionen zu besitzen und in verschiedenen mikrofluidische Anwendungen auszuführen (z. B.Hydrophoresis wird verwendet für die Sortierung von Partikeln und in kontinuierlichen Bewegungen zum Trennung von Blutkörperchen^6,7,8,9). Daher hat viel Aufwand Kanäle mit verschiedenen Abschnitten durch mehrstufige Ansätze zu konstruieren, wie Photolithographie mit mehreren Photoresist Schichten und Montage von verschiedenen PDMS Blätter dünne. Dennoch, solche mehrstufige Ansätze beinhalten in der Regel langwierige Verfahren und umfangreiche Instrumentierung. Darüber hinaus gefertigten Geräte können nicht konsequent durchführen und die entstandenen experimentellen Daten können unberechenbar sein. Hier wird ein ein-Schritt-Ansatz für die einfache Herstellung von mikrofluidischen Kanäle mit verschiedenen geometrischen Querschnitte durch PDMS sequentielle Nassätzen Prozesse, entwickelt das Ätzmittel in Kanäle der geplanten Einzellagen-Layouts einführt eingebettet in PDMS Materialien. Im Vergleich zu den vorhandenen Methoden zur Herstellung von PDMS mikrofluidische Kanäle mit unterschiedlichen Geometrien, kann die entwickelten ein-Schritt-Ansatz deutlich die um Kanäle mit nicht-rechteckige Abschnitte oder in verschiedenen Höhen zu fabrizieren vereinfachen. Infolgedessen ist die Technik einen Weg für den Bau von komplexen mikrofluidische Kanäle, die eine Fertigung Lösung zur Förderung der innovativen mikrofluidischen Systemen.

Introduction

Mikrofluidischen Techniken haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer inhärenten Vorteile für eine Vielzahl von chemischen und biomedizinischen Forschung und Anwendung. Es gibt verschiedene Materialeinsatz-Möglichkeiten für den Bau von mikrofluidischen Chips heute, wie Polymere, Keramiken und Silizium-Materialien. Nach bestem Wissen, unter den Materialien mikrofluidischen ist PDMS die häufigste aufgrund seiner entsprechenden Materialeigenschaften für verschiedene Mikrofluidik-Forschung und Anwendungen, einschließlich seiner optischen und biologischen Kompatibilitäten mit Partikeln, Flüssigkeiten und extrem kleine Lebewesen^1,2,3,4,5. Darüber hinaus können die Chemie und Struktur mechanischen Oberflächeneigenschaften von PDMS Materialien angepasst werden, um mikroelektromechanische und Einhaltung Studien zu erleichtern, durch die Anwendung solcher Polymer-basierten mikrofluidischen Geräten^{10, 11,12}. Bezüglich der Herstellung von mikrofluidischen Geräten mit gestalteten Kanal Muster gelten weiche Lithographie Replik Formgebungsverfahren in der Regel um die mikrofluidische Kanäle zu schaffen, durch den Einsatz ihrer entsprechenden Meister-Schimmel, bestehend aus sind Photolithographie-gemusterten Photoresist Schichten und Silizium Wafer Substrate¹². Aufgrund der Beschaffenheit der Guß Ansätze mit Silizium-Wafer mit gemusterten Photoresist Schichten haben mikrofluidische Kanäle häufig regelmäßige Querschnitte von rechteckigen Formen mit identischen Höhen.

Vor kurzem haben Forscher erhebliche Fortschritte in biomedizinischen Studien, zum Beispiel behandeln, Sortierung Partikel und Zellen mit Hydrophoresis, Trennung von Blutplasma und Anreicherung von weißen Blutkörperchen durch die Anwendung von mikrofluidischen Chips mit Kanälen verschiedenen Höhen oder geometrische Abschnitte^6,7,8,9. Diese Sortierung und Trennung der Funktionen der Mikrofluidik für biomedizinische Anwendungen werden realisiert durch Kanäle mit verschiedenen geometrischen Abschnitten anpassen. Mehrere Studien haben auf die Herstellung von mikrofluidischen Kanälen mit Querschnitten von verschiedenen Geometrieelemente gewidmet, durch die Herstellung von Meister-Schimmel mit bestimmten Oberflächenmuster verschiedener Höhen oder nicht-rechteckige Querschnitte. Diese Studien über Schimmel Fertigung gehören Techniken wie mehrstufige Photolithographie, Fotolack Reflow und Graustufen-Lithographie^13,14,15. Die bestehenden Techniken zwangsläufig fein gearbeitete Photomasks oder eine präzise Ausrichtung in mehrstufigen Herstellungsverfahren, die die variationsebenen der entsprechenden Fabrikation von mikrofluidischen Kanälen erheblich verbessern kann. So weit, auf Einzelschritt Fertigungsprozesse für mikrofluidische Kanäle aus verschiedenen Bereichen wurden mehrere Versuche unternommen, aber die jeweiligen Techniken sind auf spezifische Querschnittsformen Kanäle¹⁶sehr beschränkt.

In den letzten zwei Jahrzehnten neben die Formteil-Ansätze für die Herstellung von PDMS mikrofluidische Kanäle mit verschiedenen Abschnitten, Radierung Techniken zur Musterung PDMS Kanäle mit geometrischen Merkmalen der Herstellung der Wahl in einer Vielzahl von geworden mikrofluidische Anwendungen. Zum Beispiel wird PDMS Nassätzen zusammen mit mehrschichtigen PDMS kleben für den Bau einer pneumatisch betätigten Zelle Kultur Gerät der Mikrofluidik mit rekonstituierten ORGANEBENE Lunge Funktionen¹⁷genutzt. Die PDMS nasse Ätzen Technik wird zusammen mit PDMS Casting am zylindrischen Mikrovertiefungen bearbeitet durch computergestützte Steuerungssysteme für die Herstellung von 3D PDMS Microneedle Arrays¹⁸eingesetzt. PDMS trockene Radierung dient zur PDMS Mikrostrukturen als Teile von Mikro-elektromechanischen Aktoren^19,20. Poröse PDMS-Membranen mit gestalteten Pore Layouts werden auch durch trockene Radierung Prozesse²¹hergestellt. Die nasse und trockene Radierung Techniken können in PDMS Filme mit bestimmten geometrischen Formen²²-Strukturierung integriert werden.

Jedoch Kanal die Radierung Techniken zur Bildung von PDMS Strukturen mit komplexen Abschnitt, die Formen durch ihre immanente Grenzen auf mikrofluidischen Herstellung häufig nicht angewendet wurden. Zuerst, während die Techniken des PDMS Nassätzen Nutzung laminare Strömungen von Chemikalien für die Erstellung von mikrofluidischen Kanäle aus verschiedenen Abschnitten hergestellt worden, ist die nachfolgende Kanal Abschnitt Bildung noch eingeschränkt, da die grundlegenden Merkmale isotrope chemische Ätzung Prozesse²³. Darüber hinaus, obwohl es angemessenen Raum scheint für die Steuerung der Kanal Abschnitt Geometrien in einem Mikrofluidik-Herstellung mit PDMS trockenen Radierung Techniken²⁰, soll die erforderliche Radierung Zeit in der Regel zu lang (in Stunden) praktisch für die Herstellung von mikrofluidischen Chips. Darüber hinaus ist die Radierung Selektivität zwischen PDMS Materialien und die entsprechenden Maskierung Photoresist Schichten könnte im Allgemeinen niedrig sein, und die entstandenen geätzten tiefen für die Kanäle sind so nicht akzeptabel²⁰.

In diesem Papier entwickeln wir einen einstufigen Ansatz zur mikrofluidische Kanäle von verschiedenen geometrischen Querschnitte von PDMS sequentielle Nassätzen Prozesse (nachfolgend SWEP) herzustellen. Die SWEP beginnen mit einem PDMS mikrofluidischen Gerät mit Einzellagen-Kanäle. Mit verschiedenen Layout-Designs der Kanäle kann die Herstellung mikrofluidische Kanäle mit verschiedenen geometrischen Abschnitten verschiedener Art durch sequentielle Radierung Prozesse erreicht werden. Die sequentielle Radierung braucht nur ein Ätzmittel in bestimmte Kanäle der geplanten Einzellagen-Layouts eingebettet in PDMS Materialien eingebracht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen PDMS Herstellungsprozesse, die SWEP benötigen nur ein weiterer Schritt, mikrofluidische Kanäle nicht-rechteckige Abschnitte zu fabrizieren oder in verschiedenen Höhen. Der vorgeschlagenen SWEP bieten eine unkomplizierte und einfache Herstellung mikrofluidische Kanäle mit verschiedenen Abschnitten entlang der Fließrichtung, die die Prozesse in den oben genannten Methoden erheblich vereinfachen können.

Protocol

1. Herstellung von mikrofluidischen Geräte mit Single-Layer-Kanal Layouts Hinweis: In diesem Papier, ist die weiche Lithographie Methode3 angenommen, für die Herstellung von mikrofluidischen Geräten aus PDMS Materialien hergestellt, um vorzuführen, wie Kanäle mit verschiedenen Abschnitten zu fertigen. Erstellung von Meister-Schimmel für einen PDMS-Layer mit gestalteten Topologie Funktionen Kanal-Layouts auf einer PDMS-Schicht …

Representative Results

Vor kurzem wurden eine große Anzahl von Studien auf die Herstellung von mikrofluidischen Geräten mit Kanälen von verschiedenen Abschnitten von Lithographie Replik Formen von13,14,15 und PDMS Radierung Techniken17 gemacht , 18 , 19 , 20 , …

Discussion

In den letzten Jahrzehnten hat die Mikrofluidik angeboten viel versprechende Mittel durch den experimentellen Plattformen für chemischen und biomedizinischen Forschung sein können systematisch^{1,2,3,4gebaut, 5}. Die Plattformen haben auch ihre Fähigkeiten zu untersuchen verschiedene Zellfunktionen in Vivo unter physiologischen Mikroumgebung Bedingun…

Materials

1-Methyl-2-Pyrrolidinone	Tedia, Fairfield, OH	ME-1962	NMP
10 ml Syringe	Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ	302151
150 mm Petri dish	Dogger Science	DP-43151
1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane	Alfa Aesar, Ward Hill, MA	L16606	97 % silane
4'' Silicon Dummy Wafer	Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan	–
Acetone	ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan	AH3102-000000-72EC
AG Double Expose Mask Aligner	M&R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan	AG500-4D-D-V-S-H
Biopsy Punch	Miltex, Plainsboro, NJ	33-31
Blunt Needle	Jensen Global, Santa Barbara, CA	Gauge 16
Buffered Oxide Etch	ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan	PH3101-000000-72EC
Desicattor	A-VAC Industries, Anaheim, CA	35.10001.01
Fluorescein Sodium Salt Water	Sigma-Aldrich Co., St Louis, MO	F6300
ImageJ	National Institutes of Health, Bethesda, MD	Ver. 1.51	Imaging Processing Program
Inverted Fluorescence Microscope	Leica Microsystems, Wetzlar, Germany	DMI 6000 B
Isopropyl Alcohol (IPA)	ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan	CMOS112-00000-72EC
Leica Application Suite	Leica Microsystems GmbH	LAS X
MATLAB	MathWorks, Natick, MA	R2015b	Programming for MR evaluation
Mechanical Convention Oven	ThermoFisher Scientific,Waltham, MA	Lindberg Blue M MO1450C
Plasma Tretment System	Nordson MARCH, Concord CA	PX-250	Oxygen plasma surface treatment
Polydimehtylsiloxane (PDMS)	Dow Corning, Midland, MI	SYLGARD 184
Polyethylene Tubing	Becton-Dickinson and Company, Sparks, MD	427446	PE 205, 10'
Spin Coater	ELS Technology, Hsinchu, Taiwan	ELS 306MA
Negative Tone Photoresist	MicroChem, Westborough, MA	SU-8 2050
Negative Tone Photoresist Developer	MicroChem, Westborough, MA	Y020100	SU-8 Developer
Surgical Blade	Feather, Osaka, Japan	5005093	PDMS cutting
Syringe Pump	Chemyx, Houston, TX	Fusion 400
Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF)	Alfa Aesar, Ward Hill, MA	A10588