Ett-trinns tilnærming til fabrikasjon Polydimethylsiloxane Microfluidic kanaler med ulike geometriske deler av sekvensiell våt etsing prosesser
Summary
Flere metoder er tilgjengelige for fabrikasjon av kanaler ikke-rektangulære seksjoner innebygd i polydimethylsiloxane microfluidic enheter. De fleste av dem involverer må produksjon og omfattende justering. I dette papiret rapporteres en ett-trinns tilnærming for fabrikasjon microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt av polydimethylsiloxane sekvensiell våt etsing.
Abstract
Polydimethylsiloxane (PDMS) materialer er vesentlig utnyttes til å dikte microfluidic enheter ved hjelp av myk litografi kopi molding teknikker. Tilpasses kanalen layout tegninger er nødvendige for spesifikke funksjoner og integrert ytelse av microfluidic enheter i rekke biomedisinsk og kjemiske programmer (f.eks cellekultur, biosensing, syntese og flytende håndtering). På grunn av natur molding tilnærminger med photoresist lag mønstret av klima og jordsmonn som master muggsopp silisiumskiver, har microfluidic kanaler vanligvis vanlig tverrsnitt av rektangulære figurene med identiske høyder. Vanligvis kanaler med flere høyder eller ulike geometriske inndelinger er utformet for å ha bestemte funksjoner og utføre i ulike microfluidic programmer (f.ekshydrophoresis brukes til å sortere partikler og kontinuerlig renner skille blod celler6,7,8,9). Derfor har mye innsats blitt gjort i konstruere kanaler med ulike seksjoner gjennom flertrinns tilnærminger som klima og jordsmonn bruker flere photoresist lag og montering av forskjellig PDMS tynne ark. Likevel innebærer slike flertrinns tilnærminger vanligvis kjedelig prosedyrer og omfattende instrumentering. Videre fabrikkerte enhetene kan ikke utføre konsekvent og resulterte eksperimentelle data kan være uforutsigbare. Her er en ett-trinns tilnærming utviklet for enkel fabrikasjon av microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt gjennom PDMS sekvensiell våt etsing prosesser, som introduserer etsematerialer inn i planlagte enkeltlags-oppsett innebygd i PDMS materialer. Sammenlignet med de eksisterende metodene for produksjon PDMS microfluidic kanaler med ulike geometrier, kan utviklet ettrinns tilnærming betydelig forenkle prosessen å dikte kanaler med ikke-rektangulært deler eller ulike høyder. Derfor er teknikken en måte å lage komplekse microfluidic kanaler, som gir en fabrikasjon løsning for fremme av nyskapende microfluidic systemer.
Introduction
Microfluidic teknikker har oppmerksomhet de siste tiårene på grunn av sine iboende fordeler for en rekke biomedisinsk og kjemiske forskning og programmer. Flere er materialforbruket for å konstruere microfluidic chips tilgjengelig i dag som polymerer, keramikk og silisium materialer. Til best av vår kunnskap, blant microfluidic materialer, er PDMS den vanligste på grunn av egenskapene for riktig materiale for ulike microfluidics forskning og programmer, inkludert dens optisk og biologiske kompatible med partikler væsker og ekstremt liten levende organismer1,2,3,4,5. Videre overflaten kjemiske struktur mekanisk egenskapene og PDMS materialer kan justeres for å lette MEMS og mechanobiological studier ved å bruke slike polymer-baserte microfluidic enheter10, 11,12. Om produksjon av microfluidic enheter med designet kanal mønstre, myk litografi kopi molding metoder brukes vanligvis til å opprette microfluidic kanalene ved å utnytte sine tilsvarende master muggsopp som består av klima og jordsmonn-mønstret photoresist lag og silisium wafer underlag12. På grunn av natur molding tilnærminger med mønstret photoresist lag silisiumskiver, har microfluidic kanaler vanligvis vanlig tverrsnitt av rektangulære figurene med identiske høyder.
Nylig har forskere gjort betydelig fremgang i biomedisinsk studier som omhandler, for eksempel, sortering partikler og celler ved hjelp av hydrophoresis skille blodplasma og berikende hvit blod celler ved å bruke microfluidic chips med kanaler ulike høyder eller geometriske inndelinger6,7,8,9. Slik sortering og skiller funksjonene til microfluidics for biomedisinsk programmer realiseres ved å tilpasse kanaler med ulike geometriske inndelinger. Flere studier har vært viet til produksjon av microfluidic kanaler med tverrsnitt av ulike geometriske funksjoner ved å fabrikere master former med bestemte overflaten mønstre for ulike høyder eller ikke-rektangulært tverrsnitt. Disse studiene på mold fabrikasjon inkluderer slike teknikker som flere trinn klima og jordsmonn, photoresist flyt og grå skala litografi13,14,15. Uunngåelig innebære de eksisterende teknikkene fint utformet photomasks eller en presis justering i flere trinn produksjonsprosesser, som kan betydelig forbedre kompleksitet nivåer av tilsvarende fabrikasjon av microfluidic kanaler. Så langt flere forsøk har blitt gjort på enkeltsteg produksjonsprosesser for microfluidic kanaler av ulike deler, men den respektive teknikker er svært begrenset til bestemte cross-sectional figurer kanaler16.
De siste to tiårene, i tillegg til molding tilnærminger for fabrikasjon PDMS har microfluidic kanaler med ulike deler, etsing teknikker for mønstre PDMS kanaler med geometriske funksjoner blitt fabrikasjon av valg i en rekke microfluidic programmer. For eksempel utnyttes PDMS våt etsing med flerlags PDMS bånd for å konstruere en pneumatisk actuated celle kultur enhet av microfluidics med rekonstituert organ-nivå lunge funksjoner17. Den PDMS våte etsing teknikken ansatt med PDMS opplegg sylindrisk microwells maskinert av dataassistert styringssystemer for fabrikasjon 3D PDMS microneedle matriser18. PDMS tørr etsing brukes til å lage PDMS microstructures som deler av mikro-elektromekaniske aktuatorer19,20. Porøse PDMS membraner med designet pore oppsett er også fabrikert gjennom tørr etsing prosesser21. Både våte og tørre etsing teknikker kan integreres i mønstre PDMS filmer med angitte geometriske figurer22.
Imidlertid kanal etsing teknikker for å danne PDMS strukturer med komplekse delen figurene ikke er ofte brukt på grunn av sine iboende begrensninger på microfluidic fabrikasjon. Først, mens teknikker for PDMS våt etsing utnytte laminær strømmer av kjemikalier for oppretting microfluidic kanaler med ulike seksjoner er etablert, etterfølgende kanalen delen dannelsen er fortsatt begrenset grunnleggende egenskapene av isotropic kjemisk etsing behandler23. Videre, selv om det synes å være plass for å kontrollere kanalen delen geometrier i en microfluidics fabrikasjon benytter PDMS tørr etsing teknikker20, nødvendige etsing tiden skal vanligvis for lang tid (i timer) praktisk for produksjon microfluidic chips. I tillegg, etsing selektivitet mellom PDMS materialer og den tilsvarende maskeringen photoresist lag kan være lav generelt og resulterte etset dypet for kanalene er dermed ikke akseptabel20.
I dette papiret utvikle vi en ett-trinns tilnærming for å dikte microfluidic kanaler med ulike geometriske tverrsnitt av PDMS sekvensiell våt etsing prosesser (heretter referert til som SWEP). SWEP begynner med en PDMS microfluidic enhet med enkeltlags-kanaler. Med diverse layout design av kanalene, kan fabrikasjon microfluidic kanaler med ulike geometriske deler av ulike slag oppnås gjennom sekvensiell etsing prosesser. Sekvensiell etsning trenger bare en etsematerialer å bli introdusert i bestemte kanaler av planlagte enkeltlags-oppsett i PDMS materialer. Sammenlignet med konvensjonelle PDMS metallbearbeiding prosesser, SWEP bare kreve ett steg videre å dikte microfluidic kanaler ikke-rektangulære seksjoner eller ulike høyder. Den foreslåtte SWEP gir en grei og enkel måte å fabrikere microfluidic kanaler med ulike seksjoner flyt retning, som kan betydelig forenkle prosessen i de nevnte metodene.
Protocol
Representative Results
Discussion
De siste tiårene, har microfluidics tilbudt lovende betyr som eksperimentelle plattformer for kjemisk og biomedisinsk forskning kan være konstruert systematisk1,2,3,4, 5. De har også presentert sine evner å undersøke flere cellulære funksjoner i vivo under fysiologiske microenvironment forhold via i vitro celle studier<sup class="xref"…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner takknemlig støtte gitt av den nasjonale helse Research institutter (NHRI) i Taiwan under nyskapende forskning Grant (IRG) (EX106-10523EI), den Taiwan departementet for vitenskap og teknologi (mest 104-2218-E-032-004 104 – 2221 – E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2, 105-2221-E-032-006, 106-2221-E-032-018-MY2), og Academia Sinica karriere Development Award. Forfatterne vil gjerne takke Heng-Hua Hsu for korrekturlesing av manuskriptet.
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 |
Referências
- Tung, Y. -. C., et al. Optofluidic Detection for Cellular Phenotyping. Lab on a Chip. 12, 3552-3565 (2012).
- Lu, Y., Yang, L., Wei, W., Shi, Q. Microchip-based Single-cell Functional Proteomics for Biomedical Applications. Lab on a Chip. 17, 1250-1263 (2017).
- Jensen, K. F., Reizman, B. J., Newman, S. G. Tools for Chemical Synthesis in Microsystems. Lab on a Chip. 14, 3206-3212 (2014).
- Chang, C. -. W., et al. A Polydimethylsiloxane-polycarbonate Hybrid Microfluidic Device Capable of Generating Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients for Cell Culture Studies. Lab on a Chip. 14, 3762-3772 (2014).
- Mosadegh, B., et al. Integrated Elastomeric Components for Autonomous Regulation of Sequential and Oscillatory Flow Switching in Microfluidic Devices. Nature Physics. 6, 433-437 (2010).
- Choi, S., Park, J. -. K. Tuneable Hydrophoretic Separation Using Elastic Deformation of Poly(Dimethylsiloxane). Lab on a Chip. 9, 1962-1965 (2009).
- Choi, S., Song, S., Choi, C., Park, J. -. K. Microfluidic Self-Sorting of Mammalian Cells to Achieve Cell Cycle Synchrony by Hydrophoresis. Analytical Chemistry. 81, 1964-1968 (2009).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Separation of Plasma from Whole Human Blood in a Continuous Cross-Flow in a Molded Microfluidic Device. Analytical Chemistry. 78, 3765-3771 (2006).
- VanDelinder, V., Groisman, A. Perfusion in Microfluidic Cross-Flow: Separation of White Blood Cells from Whole Blood and Exchange of Medium in a Continuous Flow. Analytical Chemistry. 79, 2023-2030 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Annual Review of Material Science. 28, 153-184 (1998).
- Mello, A. Plastic Fantastic?. Lab on a Chip. 2, 31N-36N (2002).
- Choi, S., Park, J. -. K. Two-step Photolithography to Fabricate Multilevel Microchannels. Biomicrofluidics. 4, 046503 (2010).
- Zhong, K., Gao, Y., Li, F., Zhang, Z., Luo, N. Fabrication of PDMS Microlens Array by Digital Maskless Grayscale Lithography and Replica Molding Technique. Optik. 125, 2413-2416 (2013).
- Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. Journal of Visualized Experiments. (119), e55276 (2017).
- Lai, D., et al. Simple Multi-level Microchannel Fabrication by Pseudo-grayscale Backside Diffused Light Lithography. RSC Advances. 3, 19467-19473 (2013).
- Huh, D., et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip. Science. 328, 1662-1668 (2010).
- Deng, Y. -. L., Juang, Y. -. J. Polydimethyl Siloxane Wet Etching for Three-Dimensional Fabrication of Microneedle Array and High-Aspect-Ratio Micropillars. Biomicrofluidics. 8, 026502 (2014).
- Tung, Y. -. C., Kurabayashi, K. Nanoimprinted Strain-controlled Elastomeric Gratings for Optical Wavelength Tuning. Applied Physics Letters. 86, 161113 (2005).
- Tung, Y. -. C., Kurabayashi, K. A Single-Layer PDMS-On-Silicon Hybrid Microactuator with Multi-Axis Out-Of-Plane Motion Capabilities-Part II: Fabrication and Characterization. Journal of Microelectromechanical Systems. 14, 558-566 (2005).
- Chen, W., Lam, R. H. W., Fu, J. Photolithographic Surface Micromachining of Polydimethylsiloxane (PDMS). Lab on a Chip. 12, 391-395 (2012).
- Balakrisnan, B., Patil, S., Smela, E. Patterning PDMS Using a Combination of Wet and Dry Etching. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19, 047002 (2009).
- Takayama, S., et al. Topographical Micropatterning of Poly(dimethylsiloxane) Using Laminar Flows of Liquids in Capillaries. Advanced Materials. 13, 570-574 (2001).
- Friend, J., Yeo, L. Fabrication of Microfluidic Devices Using Polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics. 4, 026502 (2010).
- . NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2002-2025 Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2002-2025.pdf (2000)
- . NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2035-2100 Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2035-2100.pdf (2000)
- Hardt, S., Schönfeld, F. Laminar Mixing in Different Interdigital Micromixers: II. Numerical Simulations. AIChE Journal. 49, 578-584 (2003).
- Hessel, V., Löwe, H., Schönfeld, F. Micromixers-A Review on Passive and Active Mixing Principles. Chemical Engineering Science. 60, 2479-2501 (2005).
- Damiati, S., Kompella, U., Damiati, S., Kodzius, R. Microfluidic Devices for Drug Delivery Systems and Drug Screening. Genes. 9, 103 (2018).
- Wang, C. -. K., et al. Single Step Sequential Polydimethylsiloxane Wet Etching to Fabricate a Microfluidic Channel with Various Cross-Sectional Geometries. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 115003 (2017).
