Summary
Det finns flera metoder för tillverkning av kanaler av icke-rektangulära sektioner inbäddade i Polydimetylsiloxan mikroflödessystem enheter. De flesta av dem innebär utgångsämnet tillverkning och omfattande justeringen. I detta papper rapporteras en one-step metod för fabricera mikroflödessystem kanaler av olika geometriska tvärsnitt av Polydimetylsiloxan sekventiell våta etsningen.
Abstract
Polydimetylsiloxan (PDMS) material utnyttjas avsevärt för att fabricera mikroflödessystem enheter genom att använda mjuka litografi replika molding tekniker. Anpassade kanal layout design är nödvändiga för specifika funktioner och integrerad prestanda mikroflödessystem enheter i många biomedicinska och kemiska tillämpningar (t.ex., cellodling, biosensing, kemisk syntes och vätskehantering). På grund av gjutning metoder med fotoresist lager mönstrade av photolithographyen som master formar kiselskivor, ha ultrakalla kanalerna ofta regelbundna tvärsnitt av rektangulära former med identiska höjder. Vanligtvis, kanaler med flera höjder eller olika geometriska sektioner är utformade att inneha särskilda funktioner och att utföra i olika mikroflödessystem tillämpningar (t.ex., hydrophoresis används för sortering av partiklar och kontinuerliga flöden för separera blodkroppar6,7,8,9). Därför har en stor ansträngning gjorts för att konstruera kanaler med olika sektioner genom flera steg strategier som photolithography med flera fotoresist lager och montering av olika PDMS tunna ark. Dock innebära sådan flera steg metoder brukar tråkiga förfaranden och omfattande instrumentering. Dessutom fabricerade enheterna får inte utföra konsekvent och resulterade experimentella data kan vara oförutsägbar. Här, är en one-step metod utvecklad för enkel tillverkning av mikrofabricerade kanaler med olika geometriska tvärsnitt genom PDMS sekventiell våta etsningen processer, som introducerar etsmedel i kanaler av planerade lager layouter inbäddad i PDMS material. Jämfört med de befintliga metoderna för tillverkning av PDMS mikroflödessystem kanaler med olika geometrier, kan den utveckla one-step metoden avsevärt förenkla processen för att fabricera kanaler med icke-rektangulära sektioner eller olika höjder. Tekniken är således ett sätt att konstruera komplexa mikroflödessystem kanaler, vilket ger en fabrication lösning för främjande av innovativa mikroflödessystem system.
Introduction
Mikroflödessystem tekniker har uppmärksammat under de senaste decennierna på grund av sina inneboende fördelar för en mängd olika biomedicinska och kemisk forskning och tillämpningar. Det finns flera materialanvändningen alternativ för att konstruera mikroflödessystem marker numera, såsom polymerer, keramer och silicon material. Till bäst av vår kunskap, bland de mikroflödessystem material, är PDMS den vanligaste på grund av dess lämpliga materiella egenskaper för olika mikrofluidik forskning och tillämpningar, inklusive dess optiska och biologiska kompatibla med partiklar, vätskor och extremt små levande organismer1,2,3,4,5. Dessutom ytan kemiska struktur mekaniska egenskaperna och av PDMS material kan justeras för att underlätta studier mikroelektromekaniska och mechanobiological genom att tillämpa sådana polymerbaserade mikroflödessystem enheter10, 11,12. När det gäller tillverkning av mikrofabricerade enheter med designade kanal mönster, mjuka litografi replika gjutning metoder tillämpas normalt för att skapa mikroflödessystem kanalerna genom att utnyttja deras motsvarande master formar som består av Photolithography-mönstrad fotoresist lager och kisel wafer substrat12. På grund av gjutning metoder med mönstrade fotoresist lager kiselskivor, ha ultrakalla kanalerna ofta regelbundna tvärsnitt av rektangulära former med identiska höjder.
Nyligen har har forskare gjort betydande framsteg i biomedicinska studier som behandlar, till exempel, sortering partiklar och celler med hydrophoresis, separera blodplasma och berikande vita blodkroppar genom att tillämpa mikroflödessystem chip med kanaler olika höjder eller geometriska avsnitt6,7,8,9. Sådan sortering och separera funktioner av mikrofluidik för biomedicinska tillämpningar realiseras genom att anpassa kanaler med olika geometriska sektioner. Flera studier har ägnats åt tillverkning av mikrofabricerade kanaler med tvärsnitt av olika geometri egenskaper genom att tillverka master formar med specifika ytan mönster med olika höjder eller icke-rektangulära tvärsnitt. Dessa studier på mögel tillverkning omfattar sådana tekniker som flerstegs photolithography, fotoresist flödesomformning och gråskala litografi13,14,15. De befintliga teknikerna innebär oundvikligen, fint utformad fotomasker eller en exakt anpassning i flera steg tillverkningsprocesser, som väsentligen kan öka komplexiteten nivåerna av motsvarande tillverkning av mikrofabricerade kanaler. Hittills har flera försök har gjorts på ett steg tillverkningsprocesser för mikroflödessystem kanaler av olika sektioner, men de respektiva teknikerna är mycket begränsad till vissa tvärsnittsdata former av kanaler16.
Under de senaste två decennierna, förutom de gjutning metoderna för fabricera PDMS har mikroflödessystem kanaler med olika sektioner, etsning tekniker för mönstring PDMS kanaler med geometriska egenskaper blivit tillverkning av val i en mängd mikroflödessystem applikationer. Till exempel utnyttjas PDMS våta etsningen tillsammans med flera lager PDMS limning för att konstruera en Pneumatiskt manövrerad cell kultur enhet av mikrofluidik med ombildade orgel-nivå lung funktioner17. Den PDMS våta etsning teknik är anställd tillsammans med PDMS gjutning på cylindriska mikrobrunnar bearbetas av datorstödda styrsystem för fabricera 3D PDMS microneedle matriser18. PDMS torr etsning används att göra PDMS mikrostrukturer som delar av mikro-elektromekaniska ställdon19,20. Porösa PDMS membran med designade pore layouter tillverkas också genom torr etsning processer21. Både våta och den torra etsning tekniken kan integreras i mönstring PDMS filmer med utsedda geometriska former22.
Dock kanal de etsning teknikerna för att bilda PDMS strukturer med komplexa avsnitt former inte har tillämpats allmänt på grund av deras inneboende begränsningar på mikroflödessystem fabrication. Först, medan teknikerna av PDMS våta etsningen utnyttja laminärt flöden av kemikalier för att skapa mikroflödessystem kanaler av olika sektioner har fastställts, efterföljande kanal avsnitt bildandet är fortfarande begränsad på grund av de grundläggande egenskaperna bearbetar23av isotropiskt kemisk etsning. Dessutom, även om det verkar vara rimligt utrymme för att styra kanal avsnitt geometrier i en mikrofluidik tillverkning använder PDMS torr etsning tekniker20, krävs etsning tiden är oftast för lång tid (i timmar) vara praktisk för att tillverka mikroflödessystem chip. Dessutom, etsning selektivitet mellan PDMS material och motsvarande maskering fotoresist lager kan vara låg i allmänhet, och resulterade etsade djupet för kanaler, således inte acceptabelt20.
I detta papper utvecklar vi en one-step metod för att tillverka mikroflödessystem kanaler av olika geometriska tvärsnitt genom PDMS sekventiell våta etsningen processer (hädanefter benämnd SWEP). SWEP börjar med en PDMS mikroflödessystem enhet med single layer kanaler. Med diverse layout mönster av kanaler, kan fabricera mikroflödessystem kanaler med olika geometriska sektioner av olika slag uppnås genom sekventiell etsning processer. Den sekventiella etsningen behöver bara ett etsmedel införas i specifika kanaler av de planera lager layouter inbäddade i PDMS material. Jämfört med konventionella PDMS fabrication processer, SWEP bara kräver ett ytterligare steg att fabricera mikroflödessystem kanaler av icke-rektangulära sektioner eller olika höjder. Den föreslagna SWEP ger ett okomplicerat och enkelt sätt att fabricera mikroflödessystem kanaler med olika sektioner längs flödesriktningen, vilket avsevärt förenklar processer i de ovan nämnda metoderna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. tillverkning av mikrofabricerade enheter med Single Layer kanal layouter
Obs: I detta papper antas den mjuka litografi metod3 för fabricera mikroflödessystem enheter tillverkade av PDMS material, för att demonstrera hur man tillverkar kanaler med olika sektioner.
-
Skapandet av master formar för ett PDMS lager med designade topologi funktioner
- Utforma kanal layouter på ett PDMS lager för en enstaka etsning process eller etsning i sekvens.
- Skiss inverterad topologi funktioner utformade PDMS lagret med hjälp ett datorstödd ritprogram.
- Leverera filen skiss till en photolithography anläggning att erhålla en mönstrad photomasken med hög precision inverterad topologi funktioner av kanal layouterna tryckt på en öppenhet24.
- Använd isopropylalkohol (2-Propanol (IPA), ≥ 99,9%), aceton (Propan-2-one, ≥ 99,5%) och buffrad oxid etch (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) på ytbehandlar av en 4-tums kisel wafer ta bort damm och rester och undvika föroreningar.
- Använda cirka 500 mL avjoniserat vatten för att tvätta kisel rånet för en slutlig polering, och applicera sedan kvävgas för att torka sköljda rånet.
- Placera en negativ ton fotoresist av omkring 20 g på rånet. Sedan spin rock rånet på 500 rpm för 15 s och 2.000 rpm för 30 s för att producera en fotoresist lager av omkring 75 µm i tjocklek.
Obs: Olika fotoresist tjocklekar kan uppnås med negativ ton fotoresister med olika produktnummer och med olika spinn beläggning, bakning och utveckling villkor, enligt den användare manualer25,26. - Baka mjuk rånet av värma den en kokplatta på 65 ° C i 3 min och sedan vid 95 ° C i 9 min.
- Sätt rånet i en photomasken aligner maskinen tillsammans med mönstrade insynen från steg 1.1.3 som en mask.
- Aligner maskinen, tillämpa ultraviolett (UV) ljus på 300 mJ/cm2 att exponera rånet omfattas av insyn.
- Efter exponering för UV-ljus, placera rånet på en värmeplatta vid 65 ° C i 2 min och sedan vid 95 ° C under 7 min som de efter exponering baka (spricka).
- Efter PEB, starkt agitera rånet nedsänkt i en negativ ton fotoresist utvecklare, eller placera nedsänkt rånet i ultraljudsbad (37 kHz, effektiva kraften i 180 W) för 7 min.
- Ren hela rånet igen med isopropylalkohol att eliminera alla utvecklare kvar på wafer ytan.
- För att förhindra oönskade limning, silanize rånet yta genom att sätta rånet tillsammans med 100 µL av 97% silan (1H, 1H, 2H, 2H- perfluorooctyl-trichlorosilane) i en 6 cm petriskål i exsickator.
- Anslut exsickatorn till en vakuumpump och Ställ in vakuum trycket på 760 mmHg.
- Nästa, aktivera pumpen för 15 min. Switch den off och sedan lämna rånet att vila i ett vakuum i exsickatorn för 30 min.
Varning: Den avdunstade silan är ytterst skadliga för människor. det hela rånet ytan passivering måste således utföras i dragskåp. - Hämta silaniserad rånet, som genomgick ytan passivering. Fixa rånet i en 15 cm petriskål för vidare användning.
Obs: Mönstrade rånet är redo att användas som gjutform för att replikera de designade kanal layouterna omvänt av PDMS material.
-
Tillverkning av PDMS kanal layouter genom att replikera den inverterade topologin på formarna
- Sätta den bas PDMS (monomer) tillsammans med motsvarande katalysatorn (härdare) vid volymförhållandet 10:1 i en ren och enkel användning plastmugg.
- Blanda PDMS prepolymer blandningen (från steg 1.2.1) homogent med hjälp av en power omrörare.
- Sätt koppen i exsickatorn ansluten till vakuumpump för 60 min att ta bort eventuella fångade bubblor i PDMS blandningen.
- Häll 20 g (för sektion 2) eller 8 g (för avsnitt 3) av PDMS prepolymer blandningen ovanpå den herre mögel (tillverkad i steg 1.1) med inverterad topologi funktioner i de designade kanal layouterna, och därefter eliminera alla eventuella bubblor inbäddade i PDMS material med hjälp av t Han exsickator (för 60 min).
- Placera formen bär PDMS blandningen i en ugn vid 60 ° C under 4 h att bota silikonbaserat flytande prepolymer material.
- Efter kylning rånet tillsammans med PDMS rumstemperatur under ca 20 min, lossa den härdade PDMS från formen med en skalpell och pincett.
- Skräddarsy fristående PDMS lagret till ett område (ca 6 x 6 cm2 avsnitt 2 eller 2 x 7,5 cm2 för avsnitt 3) täcker de hela kanaliserar layouter med en skalpell.
- Skapa kanal tillgång portar (vikar och försäljningsställen) med hjälp av en biopsi punch på 1,5 mm i diameter.
Obs: Siffrorna och placeringen av de vikar och försäljningsställen utformas utifrån etsning processerna för att tillverka specifika mikroflödessystem kanaler. - Häll 30 g av PDMS prepolymer blandningen i en petriskål, och därefter eliminera alla eventuella bubblor inbäddade i PDMS material med exsickatorn (för 60 min).
- Sätta petriskål transporterar PDMS blandningen i en ugn vid 60 ° C i mer än 4 h att bota de flytande prepolymer material.
- Efter kylning petriskål tillsammans med PDMS rumstemperatur under ca 20 min, lossa den härdade PDMS från skålen med en skalpell och pincett.
- Med en skalpell, skräddarsy fristående PDMS lagret utan några funktioner till dimensioner motsvarar de av det ovannämnda PDMS lagret (ca 6 x 6 cm2 avsnitt 2 eller 2 x 7,5 cm2 för avsnitt 3).
- Aktivera ytor på både PDMS lager (tillverkad i steg 1.2.7 och 1.2.12) med de designade kanal layouterna och utan några funktioner genom att utsätta de översta PDMS material syre plasma i en ytbehandling maskin på 90 W för 40 s.
- Bond de 2 PDMS lager genom att göra kontakt mellan deras behandlade ytor direkt efter syre plasma ytan aktiveringen. Sedan lämna de bundna PDMS-lagrarna i en ugn vid 60 ° C i mer än 30 min.
Obs: Det finns ingen övre tidsgräns för att lämna de bundna PDMS-lagrarna i ugnen. - Efter 2 bundna PDMS lager har svalnat, trimma överflödigt PDMS material från fabricerade enheten för en senare experimental set-up.
2. One-Step metod att fabricera PDMS mikroflödessystem kanaler av olika sektioner
Obs: För att karakterisera PDMS våt etsning ränta, en mikroflödessystem enhet med ett lager och rak kanal av rektangulära former föreslås för att utnyttjas för att identifiera specifika etsning priser motsvarande vissa experimentella inställningar.
-
Experimentell karakterisering av PDMS våt etsning
- Förbered en etsmedlet lösning genom att blanda tetra-n-butylammonium fluor (TBAF, en 1 M lösning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-metyl-2-pyrrolidinone (NMP) i en takt av v: v = 1:10.
Obs: NMP är kapabel att effektivt lösa kemiska rester induceras av etsmedel. I allmänhet PDMS material är svullna marginellt av NMP och PDMS mikroflödessystem enheterna är fortfarande kunna bevara sina former, volymer, och försegla villkor. - Rita den blandade TBAF/NMP etsmedel i en 10 mL spruta ansluten till en rostfri trubbig nål (16 G).
- Ställa in en sprutpump som en styrenhet för tryck-driven vätskorna i kanalerna.
- Anslut de trubbiga nålarna av sprutor fyllda med etsmedel lösningen till kanal porten av ovan nämnda enkla enheten och vägleda respektive hamnen från utlopp slang till en avfallsbehållare som visas i figur 1.
- Lösning med en 150 µL/min flödeshastighet för karaktärisera PDMS köra sprutpumpen bär de sprutor som innehåller blandade TBAF/NMP etsmedlet och våt etsning.
- Använd ljusa fält mikroskopiska vyer och se till att kanalen etsat längs flödesriktningen har en enhetlig bredd, att därför bekräfta att volymen blandningsförhållande av etsmedel och etsmedlet flödet är tillräckliga.
- Fånga tidsserier bilder av kanalen tvärsnitt under en inverterade Mikroskop med en 4 X förstoring under den PDMS etsning process.
- Analysera lagrade bilder genom att tillämpa de grundläggande mätning funktionen i en 2D analys av bearbetning bildprogrammet att samla en tidssekvens av nummer för kanalbredd under den våta etsning process av PDMS material.
- Utvärdera de tidsserier etsning priserna genom den ekvation som visas i figur 2, som splittrar 50% av den kanal bredd ändringen (ΔW / 2) av PDMS etsningen (t).
- Utföra en linjär regression av insamlade datapunkter att uppskatta en övergripande etsning graden av den blandade TBAF/NMP etsmedel med den specifika volymen blandningsförhållande 1:10 för PDMS material som visas i figur 2.
- Förbered en etsmedlet lösning genom att blanda tetra-n-butylammonium fluor (TBAF, en 1 M lösning i tetrahydrofuran (THF)) med 1-metyl-2-pyrrolidinone (NMP) i en takt av v: v = 1:10.
-
PDMS sekventiell våt etsning för fabricera mikroflödessystem kanaler av olika geometriska sektioner
- Design av etsmedlet vikar arrangemang för layouten lager PDMS kanal som serverar motsvarande etsning processer i sekvens, så att en specifik kanaltyp av olika tvärsnittsdata former som Figur 3 kan fabriceras.
- Följ procedurerna som beskrivs i steg 2.1.1 - 2.1.7 för PDMS våta etsning strategi.
Obs: Flödet är inställd som 50 μL/min. - Medan de TBAF/NMP etsmedel flödar, inspektera de etsade kanalerna under mikroskopet för att se om det finns betydande problem såsom en märkbar mängd bubblor, ett resterande av flera kemiska rester som induceras av etsmedel, läckage av etsmedel, eller ett flöde av etsmedel på ett lutande plan.
- Observera mikroflödessystem kanal vägg tjocklek variationen av inverterad mikroskopi och tid den våta etsning process för att säkerställa korrekt kanal geometrier uppnås.
3. utformningen av en mikroflödessystem Mixer
Obs: En design av mikrofabricerade mixern som effektivt kan blanda 2 olika vätskor demonstreras här för att visa ett fördelaktigt tillämpningen av mikrofabricerade kanaler med olika sektioner.
-
Tillverkning av en mikroflödessystem mixer med olika kanalavsnitt
- Göra en PDMS enhet med en single layer mikroflödessystem kanal av design visas i figur 4 av mjuk litografi repliken gjutning teknik (avsnitt 2).
- I lager mikroflödessystem kanal layout, införa en TBAF/NMP etsmedlet lösning beredd genom att följa procedurerna som beskrivs i steg 2.1.1 från hamnen markeras som ”outlet” flödeshastighet 20 µL/min i figur 4.
- Iaktta mikroflödessystem kanal vägg tjocklek variationen under mikroskopet, och tid den våta etsning process för att säkerställa korrekt kanal geometrier som representerade i figur 5 uppnås.
-
Experimentell karakterisering av mikrofabricerade mixern
- Efter kanalen mikroflödessystem med sektioner av olika former i ett alternativa mönster realiseras, pump 2 olika vätskor inklusive en lösning av fluorescein natrium salt har en koncentration 50 µg/mL och destillerat vatten till 2 separata kanaler med en 20 µL/min flödeshastighet.
- Ta fluorescens mikroskopbilder av kanalen i ovanifrån på de ståndpunkter som markerats som A, B, C och D en inverterade Mikroskop (4 X förstoring) för den 2 blandare med enhetliga (före etsning) och olika geometriska avsnitt (efter 2 h för SWEP), respektive) (Se figur 6).
Obs: Fluorescens Mikroskop bilderna tas medan de stabila flödena förekommer, vid tidpunkten av 5 min, räknade från början stund att blanda genom mixer kanaler. - Analysera de tagna fluorescerande bilderna med hjälp av en tänkbar bearbetningsprogram för att uppskatta motsvarande blandning effektivitet siffror som definieras av blandande återstående (MR, 0,5 = oblandade, 0 = helt blandat) i följande ekvation27, 28:
Här
t är tiden som etsning
L är kanalbredd vid en viss position av intresse,
S är ett linjesegment över kanalen på positionen, och
Jag är fluorescens intensitet fördelningen över S t. - Rita fluorescens intensitet fördelningen över S över kanalen på de ståndpunkter som markerats som A, B, C och D för den 2 blandare med enhetliga (före etsning) och olika geometriska avsnitt (efter 2 h för SWEP), respektive. Uppskatta motsvarande MR som avbildas i figur 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Nyligen, ett stort antal studier har gjorts på tillverkning av mikrofabricerade enheter med kanaler i olika avsnitt av litografi replik gjutning13,14,15 och PDMS etsning tekniker17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22. men det fortfarande finns betydande begränsningar av mönstring former och svårigheter med tillverka verksamhet16,23. I detta dokument föreslås en one-step metod att fabricera PDMS mikroflödessystem kanaler av olika geometriska avsnitten av SWEP.
Figur 1 schematiskt visar mikroflödessystem lager kanal layouter för att skapa PDMS kanaler av olika sektioner av SWEP och visar experimentella inställningen av den tillhörande rörsystem. NMP är en buffert som används för SWEP experiment, som visas i figur 1a och 1b. I SWEP experiment är det viktigt att välja rätt lösningsmedel att eliminera etsning produkter i kanalerna för att upprätthålla laminärt flöden utnyttjas av etsning processer. Därför väljs NMP bufferten som lösningsmedlet att effektivt lösa produkterna av SWEP22,23.
De etsade kanalerna är också fyllda med blå Livsmedelsfärgämnen att visa utvecklingen av avsnitten kanal inuti mikroflödessystem enheten. Genom att arrangera etsmedlet vikar av designade lager kanal mönster, kan ultrakalla kanalavsnitt med olika geometri funktioner av olika slag erhållas genom SWEP som visas i figur 3.
Att karakterisera PDMS våt etsning, en mikroflödessystem enhet med ett lager och rak kanal av rektangulära former utnyttjas för att identifiera en övergripande etsning graden av den blandade TBAF/NMP etsmedel med en specifik volym-blandning på för PDMS material. Av en linjär regressionslinje för de insamlade datapunkterna av kanal bredd variationer med avseende på vissa etsning tider, övergripande uppskattas experimentellt etsning graden av etsmedlet lösningen 2.714 µm/min (figur 2).
I ultrakalla kanaler med enhetliga tvärsnitt flöde vätskor mestadels längs kanalen väggar, som undertrycker slumpmässiga kontakter mellan ämnet partiklar; Därför, flytande blandning drivs av diffusion uppnås vanligen genom särskilt långa kanaler. Som ett resultat, förväntas ultrakalla kanaler av olika geometriska avsnitt underlätta flytande blandning med hjälp av laterala vätska rörelser över kanalavsnitt. I denna studie demonstreras en design av mikrofabricerade mixern (figur 4) där två olika vätskor blandas effektivt här för att presentera en fördelaktiga tillämpning av mikrofabricerade kanaler med olika sektioner. Figur 5 presenterar tidsserier bilder av kanalen mikroflödessystem mixer fabricerade av SWEP med PDMS material i ovanifrån på etsning stadier av 0 h, 0,25 h, 0.40 h, 0,55 h, 0.70 h, 1.00 h och 2.00 h i sekvens.
Efter mikroflödessystem kanal med sektioner av olika former i ett alternativa mönster realiseras och två olika vätskor inklusive en lösning av fluorescein natrium salt och destillerat vatten pumpas därefter in i två separata kanaler, fluorescens mikroskopbilder av kanalen i ovanifrån på positionerna markeras som A, B, C och D fångas under en inverterade Mikroskop för de två blandare med uniform (före etsning) och olika geometriska sektioner (efter 2 h för SWEP), respektive (figur 6). Dessa bilder är tagna medan de stabila flödena förekommer, vid tidpunkten av 5 min, räknade från början stund att blanda genom mixer kanaler. Sedan levereras dessa fluorescens mikroskopbilder till ett automatiserat program som utvecklats i denna studie att extrahera motsvarande herr siffror som representerar blandande effektiviteten i mixern.
Innan etsning processen hade kanalisera av mixern med en serpentin kanal layout identiska tvärsnitt av rektangulär form. Tack vare den tillräckliga kanal längden krävs för diffusion mekanismer, ultrakalla mixern har en viktig blandning effektivitet representeras av 0.4607, 0.3403, 0.2450 och 0.1940 herr nummer på A, B, C och D positioner, respektive. Efter 2 h för SWEP, med en lika kanal längd till den ursprungliga, har ultrakalla mixern kanalavsnitt olika former i ett alternativa mönster. Det är viktigt att mixern med de olika kanalavsnitt ger en markant ökning i blandande effektivitet, representerade genom att märkbart minska herr numrerar av 0.3875, 0.1915, 0.1336 och 0.0680 på A, B, C och D positioner, respektive, på grund av laterala vätska rörelser leder till advektion förutom diffusion mekanismer. Dessutom från läge B - D, öka sådana advektion mekanismer som inträffar under kanal sektioner resultatet i en skenbar och enhetlig blandning effektiviteten i mixern fabricerade av SWEP.
Figur 1: slangar set-up på mikroflödessystem lager kanal layouter för att skapa PDMS kanaler av olika geometriska tvärsnitt av sekventiell våta etsningen processer (SWEP). (en) Detta schema visar de mikroflödessystem enheterna med single layer kanaler. Det översta lagret är tillverkade med hjälp av PDMS av flera kanal mönster för våta etsmedlet inlopp arrangemang. Det nedersta lagret är gjord av PDMS med ett tomt mönster. (Toppen: en etsmedlet inlopp; mitten: två etsmedlet vikar.) Botten är formen för det översta lagret fabrication. (b) dessa paneler visar den monterade enheten för tillverkning av kanaler i olika avsnitt. Bredden på kanalerna och tjockleken på väggarna är 50 µm respektive 100 µm. (c) dessa paneler Visa experimentella foton av slangar set-up på mikroflödessystem lager kanal layouter för SWEP. (Översta raden: en etsmedlet inlopp, nedersta raden: två etsmedlet vikar.) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: karakterisering av PDMS våta etsningen. Denna figur visar en linjär regressionslinje för kanalen insamlade halv bredd ändringarna med avseende på de etsning gånger för att uppskatta en övergripande etsning graden av den blandade TBAF/NMP etsmedel med en specifik volym-blandning förhållandet för PDMS material. [Infällt är en schematisk bild av tvärsnittsdata geometrin för en enkel och rak kanal mönster för karaktärisera den våta etsning av PDMS material. Övergripande etsning andelen TBAF/NMP (v: v = 1:10) är 2.714 µm/min och den motsvarande R2 (determinationskoefficienten) är 0.9913.] Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: fabricerade mikroflödessystem kanaler av olika geometriska avsnitten av sekventiell PDMS våta etsningen. Dessa paneler visar olika arrangemang av etsmedlet vikar för single layer PDMS kanal layouter som serverar motsvarande etsning processer i sekvens för att fabricera viss kanaltyper av olika tvärsnittsdata former såsom (en) korsformade, (b) hantel-formade, och (c) klockformade tvärsnittsdata geometrier. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: fabricerade mikroflödessystem blandare utnyttja kanaler med olika sektioner. (en) panelen är en konstruktionsritning på en single layer kanal layout för tillverkning av en mikroflödessystem mixer utnyttja kanaler med olika sektioner. Botten visar formen för enlagers kanal tillverkning. (b) dessa paneler visar kakel genomsökningen mikroskopbilder av hela mixer kanalen före och efter 1 och 2 h av PDMS våt etsning. (c) dessa paneler visar experimentella ljusa fält bilder av mixern kanalavsnitt som är tillverkade av 1 och 2 h av PDMS våt etsning i en topp vyn (översta raden), en skära vinkelrätt mot flödesriktningen längs x-axeln (andra från den överst), och i ett avsnitt se vid A-A cut (tredje uppifrån) och B-B skär (nedersta raden) positioner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: tidsserier bilder av mikrofabricerade mixer kanaler av olika sektioner tillverkade av sekventiell våta etsningen av PDMS material. (en) i denna panel visas schematiskt av en lager-kanaligt system för tillverkning av en mikroflödessystem mixer med olika kanalavsnitt. (b) dessa paneler visar mikroskopbilder av mixer kanalen i en topp Visa varje etsning skeden i sekvens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: karakterisering av mikrofabricerade mixern fabricerade av sekventiell PDMS våta etsningen. (en) dessa paneler Visa fluorescens mikroskopbilder av kanalen mixer på de ståndpunkter som markerats som A, B, C och D före införandet av etsmedel och på 2 h våta etsning av PDMS material. (b) dessa paneler visar uppmätta fluorescens intensitet fält presenteras i en normaliserad koordinat över mixer kanalen på A, B, C och D positioner före (överst) och 2 h av PDMS våta etsning (mitten). Det visar också analyserade MR som representerar blandande effektiviteten i mixern (0,5: oblandade, 0: fullt blandat) på olika kanal positioner innan och på 2 h av etsning (nederst). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Under de senaste decennierna, har mikrofluidik erbjudit lovande medel som experimentella plattformar för kemiska och biomedicinsk forskning kan vara konstruerade systematiskt1,2,3,4, 5. Plattformarna har också presenterat sin kapacitet att utreda flera cellulära funktioner i vivo fysiologiska mikromiljö villkor via i vitro cell studier6,7, 8 , 9. i experimentell forskning och relaterade program, de flesta av kanalen tvärsnitt av mikrofabricerade enheter är enhetliga och rektangulär. I sådana mikroflödessystem enheter spelar kanal strukturer en viktig roll i närmiljön förhållanden. Till exempel när du använder mikrofluidik som en apparat för drogen leverans, moduleras en passiv kontroll över sådan kemisk transport av tuning flödet i den rektangulära kanalen i standard tvärsnitt geometri29. För en önskad flux fördelning av ämnet transport över kanalen längs flödesriktningen, kan ultrakalla kanaler med olika geometriska avsnitt under en övergripande volymetriska flöde klassar set-up behövas. Ett stort antal studier har tagit några viktiga steg för att tillverka sådana marker med önskade kanaler med olika sektioner, inklusive byggandet av master formar med särskilt ytan mönster med olika höjder eller icke-rektangulära cross avsnitt13,14,15 och PDMS etsning tekniker för att skapa ytor med geometriska egenskaper17,18,19,20 , 21 , 22. dessa strävanden inte bara involvera komplexa tillverkningsprocesser men också är begränsade till specifika tvärsnittsdata former av kanaler16,23.
I detta papper, är en one-step metod att skapa PDMS kanaler med olika sektioner avancerad genom att införa etsmedel i specifika kanaler av planerade lager layouter inbäddade i PDMS material på ett enkelt och konsekvent sätt. Dessutom verifieras isotropiskt sekventiell våta etsningen processer bildar kanaler med olika tvärsnittsdata former med hjälp av iterativa Numerisk beräkning30. Tydligen är det svårt att tillverka kanal avsnitt geometrier med skarpa vinklar på grund av isotropiskt avlägsnande av PDMS materialet under den sekventiella våta etsning processer. I praktiska tillämpningar kräver exakt kontroll över fabricerade avsnitt geometrier mikroflödessystem kanaler en korrekt karakterisering av PDMS våt etsning priser och försiktig arrangemang av den associerade slangar systeminställning. Jämfört med de befintliga metoderna för tillverkning av PDMS mikroflödessystem kanaler med olika geometrier, kan den utveckla one-step metoden avsevärt förenkla processerna för att tillverka kanaler med icke-rektangulära sektioner eller olika höjder. Därför erbjuder utvecklade tekniken ett sätt att konstruera komplexa mikroflödessystem kanaler vilket kan leda till utvecklingen av innovativa mikroflödessystem system för olika applikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att deklarera.
Acknowledgments
Författarna tacksamt erkänna det stöd som ges av den nationella hälsa Research institut (NHRI) i Taiwan under innovativa forskning Grant (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan ministeriet för vetenskap och teknik (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), och Academia Sinica karriär utveckling Award. Författarna vill tacka Heng-Hua Hsu för korrekturläsning manuskriptet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , MicroChem Corporation. Newton, MA. Available from: https://www.seas.upenn.edu/~nanosop/documents/SU8_2002-2025.pdf (2000).
- NANO SU-8 2000 Negative Tone Photoresist formulations 2035-2100. , MicroChem Corporation. Newton, MA. 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).
