הגישה של צעד אחד בדיית Polydimethylsiloxane Microfluidic אפיקי מקטעים גיאומטריים שונים בתהליכים רציפים איכול רטוב
Summary
מספר שיטות זמינות עבור הזיוף של ערוצי סעיפים מלבני מוטמע במכשירים microfluidic polydimethylsiloxane. רובם לערב רב שלבי הייצור ויישור נרחב. בנייר זה, גישה חד-שלבית הוא דיווח עבור בדיית microfluidic ערוצים של חתכי רוחב גיאומטריות שונות על ידי איכול רטוב רציפים polydimethylsiloxane.
Abstract
Polydimethylsiloxane (PDMS) חומרים מנוצלים באופן משמעותי כדי לבדות microfluidic התקנים באמצעות טכניקות דפוס משוכפל ליתוגרפיה רך. עיצובים פריסה מותאמת אישית ערוץ נחוצים עבור פונקציות ספציפיות וביצועים משולבת של microfluidic התקנים ביישומים רבים ביו כימיים (למשל, תרבית תאים biosensing, סינתזה, טיפול בנוזלים). בשל אופיו של שהמודעות גישות באמצעות סיליקון עם שכבות photoresist בדוגמת מאת פוטוליתוגרפיה בתור תבניות בסיס, הערוצים microfluidic יש בדרך כלל קבוע חתכי רוחב של צורות מלבניות עם גבהים זהים. בדרך כלל, ערוצי עם גבהים או מקטעים גיאומטריים שונים מרובים מיועדים בעל פונקציות מסוים וכדי לבצע ביישומים microfluidic שונים (למשל, hydrophoresis משמש לצורך מיון החלקיקים, זורם רציפה על הפרדת תאי דם6,7,8,9). לכן, כמות גדולה של מאמץ הפך לבניית ערוצים עם מקטעים שונים דרך שלבים מרובים גישות כמו פוטוליתוגרפיה באמצעות מספר שכבות photoresist והרכבה של PDMS שונים דק גליונות. ובכל זאת, גישות מרובות-צעד כזה כרוך בדרך כלל הליכים מייגע ומכשור נרחב. יתר על כן, המכשירים מפוברק עלולים שלא לפעול באופן עקבי, המידע מהניסוי הביא עשויה להיות בלתי צפוי. כאן, גישה חד-שלבית מפותחת על הזיוף פשוטה של microfluidic ערוצים עם חתכי רוחב גיאומטריות שונות באמצעות תהליכי רציפים איכול רטוב PDMS, אשר מציגה את etchant לתוך ערוצי הפריסות בשכבה יחידה המתוכנן מוטבע בחומרים PDMS. בהשוואה לשיטות הקיימות לייצור PDMS microfluidic לערוצי בגיאומטריות שונות, הגישה מפותחות בשלב אחד יכול באופן משמעותי לפשט את התהליך כדי לבדות ערוצים עם מקטעים מלבני או בגבהים שונים. כתוצאה מכך, הטכניקה היא דרך בניית ערוצי microfluidic מורכבים, אשר מספק פתרון ייצור לקידום מערכות חדשניות microfluidic.
Introduction
טכניקות Microfluidic יש לב נמשך במהלך העשורים האחרונים בגלל יתרונם מהותי עבור מגוון רחב של מחקר ביו-רפואי ויישומים. קיימות מספר אפשרויות בחומרים לבניית microfluidic צ’יפס בימינו, כגון פולימרים, קרמיקה וחומרים סיליקון. לפי מיטב ידיעתנו, בין החומרים microfluidic, PDMS היא האחת הנפוצה ביותר בשל תכונותיו גשמי המתאים עבור מיקרופלואידיקה מחקר ויישומים שונים, כולל שלה compatibilities אופטי וביולוגית עם חלקיקים, נוזלים, ואת היצורים החיים קטן מאוד1,2,3,4,5. יתר על כן, השטח כימית, מבנה תכונות מכניות של חומרים PDMS יכול להיות מותאם כדי להקל על מחקרים microelectromechanical mechanobiological על-ידי החלת כזה מבוסס פולימר microfluidic התקנים10, 11,12. בנוגע לייצור מכשירים microfluidic עם דפוסי ערוץ מעוצב, הדפס אבן רכה משוכפל לכייר שיטות חלים בדרך כלל כדי ליצור את ערוצי microfluidic על-ידי ניצול שלהם בתבניות הבסיס המתאים אשר מורכבים של פוטוליתוגרפיה בדוגמת photoresist שכבות וסיליקון וופל סובסטרטים12. בשל אופיו של שהמודעות גישות באמצעות סיליקון עם שכבות photoresist בדוגמת, הערוצים microfluidic יש בדרך כלל קבוע חתכי רוחב של צורות מלבניות עם גבהים זהים.
לאחרונה, החוקרים עשו התקדמות משמעותית מחקרים ביו שעניינן, למשל, מיון החלקיקים, תאים באמצעות hydrophoresis, הפרדת פלזמה, העשרת כדוריות הדם על-ידי החלת microfluidic צ’יפס עם ערוצים של בגבהים שונים או מקטעים גיאומטריים6,7,8,9. כזה מיון של הפרדת הפונקציות של מיקרופלואידיקה ביו יישומים הם הבינו על-ידי התאמה אישית של ערוצים עם מקטעים גיאומטריים שונים. מספר מחקרים יש הוקדש לייצור microfluidic ערוצים עם חתכי רוחב של תכונות גיאומטריה אחרת על-ידי בדיית תבניות בסיס עם דפוסים מסוימים משטח של הגולן או מלבני חתכי רוחב שונים. מחקרים אלה על ייצור תבנית כוללים טכניקות אלה פוטוליתוגרפיה רב שלבי, photoresist ‘ הזרמה מחדש ‘, וכן סרגל אפור ליתוגרפיה13,14,15. באופן בלתי נמנע, טכניקות קיימים לערב photomasks מבנה דק או יישור מדויק בתהליכי ייצור רב שלבי, אשר עשוי לשפר באופן משמעותי את רמות המורכבות הזיוף המקביל של ערוצי microfluidic. עד כה, נעשו מספר נסיונות על תהליכי הייצור צעד אחר צעד עבור ערוצי microfluidic סעיפים שונים, אך הטכניקות המתאימות מוגבלים מאוד ספציפי צורות חתך הרוחב של ערוצי16.
במהלך שני העשורים האחרונים, בנוסף הגישות לכייר עבור בדיית PDMS ערוצי microfluidic עם מקטעים שונים, תצריב, שיטות, עבור תכנים PDMS ערוצים עם תכונות גיאומטריות הפכו הזיוף של בחירה במגוון microfluidic יישומים. למשל, מנוצלת לרעה איכול רטוב PDMS יחד עם PDMS רב-שכבתית מליטה לבניית מכשיר התרבות תאים מופעלים פנאומטית פנאומטיים של מיקרופלואידיקה עם פונקציות ריאות איברים ברמת משוקם17. רטובה PDMS תצריב טכניקה הוא מועסק יחד עם הליהוק PDMS על microwells גלילי במכונה על ידי מערכות בקרה ממוחשב עבור בדיית 3D PDMS microneedle מערכים18. תחריט יבש PDMS משמש כדי להפוך PDMS מזערים כחלקים של מיקרו-אלקטרו מפעילים19,20. ממברנות PDMS נקבובי עם פריסות נקבובית מעוצב גם המציא דרך תהליכים איכול יבש21. את רטובה וגם את הטכניקות איכול יבש ניתן לשלב תכנים PDMS סרטים עם צורות גיאומטריות המיועד22.
עם זאת, טכניקות חריטה להרכיב PDMS ערוץ מבנים עם מורכבות מקטע צורות לא הוחלו בדרך כלל בשל מגבלותיהם מהותי על ייצור microfluidic. ראשית, ואילו הטכניקות של איכול רטוב PDMS ניצול שכבתית תזרימי של כימיקלים ליצירת ערוצי microfluidic סעיפים שונים הוקמו, ערוץ עוקבות סעיף היווצרות הוא עדיין מוגבל בגלל המאפיינים הבסיסיים של צריבה כימית איזוטרופיות תהליכים23. יתר על כן, למרות שנראה שיש רווח סביר לשליטה על גיאומטריות סעיף ערוץ ביציר דמיונו מיקרופלואידיקה שימוש בסאונה היבשה PDMS תצריב טכניקות20, תחריט נדרש הזמן הוא בדרך כלל ארוך מדי (מבחינת שעות) להיות מעשי לייצור שבבי microfluidic. בנוסף, את מידת הבררנות איכול בין חומרים PDMS המסיכה המתאימה photoresist שכבות עשוי להיות נמוך באופן כללי, ואינם למעמקים חרוט הביא הערוצים, לפיכך, מקובל20.
בנייר זה, אנו מפתחים גישה חד-שלבית כדי לבדות microfluidic ערוצים של חתכי רוחב גיאומטריות שונות בתהליכים רציפים איכול רטוב PDMS (ןלהל SWEP). SWEP להתחיל עם מכשיר microfluidic PDMS לערוצי בשכבה יחידה. עם פריסה מגוון עיצובים של הערוצים, בדיית ערוצי microfluidic עם מקטעים גיאומטריים שונים מסוגים שונים יכולה להיות מושגת באמצעות תהליכים איכול רציפים. החריטה רציפים צריך רק etchant של להיות מוחדרים ערוצים ספציפיים הפריסות בשכבה יחידה המתוכנן מוטבע בחומרים PDMS. בהשוואה לתהליכים פבריקציה נוספת המקובלת של PDMS, SWEP רק דורשים צעד אחד נוסף כדי לבדות ערוצי microfluidic סעיפים מלבני או גבהים שונים. SWEP המוצע לספק דרך פשוטה ופשוט של בדיית ערוצי microfluidic עם מקטעים שונים לאורך כיוון הזרימה, אשר באופן משמעותי ניתן לפשט את התהליכים השיטות דלעיל.
Protocol
Representative Results
Discussion
במהלך העשורים האחרונים, הציע מיקרופלואידיקה מבטיח אמצעי שבאמצעותו ניתן פלטפורמות ניסיוני למחקר ביורפואי כימיכאלים נבנה באופן שיטתי1,2,3,4, 5. הפלטפורמות גם הציגו את היכולות שלהם לחקור תאיים מספר vivo …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים לאשר בתודה את התמיכה סיפקו מאת נבחרת הבריאות מחקר מוסדות (NHRI) בטייוואן תחת חדשני מחקר גרנט (IRG) (EX106-10523EI), את טייוואן משרד המדע והטכנולוגיה (ביותר 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), ופרס האקדמיה Sinica הקריירה פיתוח. המחברים רוצה להודות הנג-Hua Hsu להגהת כתב היד.
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 |
References
- 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).
