Diseño y desarrollo de un adaptador de alineación de máscara de microscopio impreso tridimensionalmente para la fabricación de dispositivos microfluídicos multicapa
Summary
Este proyecto permite a los pequeños laboratorios desarrollar una plataforma fácil de usar para la fabricación de dispositivos microfluídicos multicapa precisos. La plataforma consiste en un adaptador de alineación de máscara de microscopio impreso tridimensionalmente con el que se lograron dispositivos microfluídicos multicapa con errores de alineación de <10 μm.
Abstract
Este proyecto tiene como objetivo desarrollar una plataforma fácil de usar y rentable para la fabricación de dispositivos microfluídicos precisos y multicapa, que generalmente solo se pueden lograr utilizando equipos costosos en un entorno de sala limpia. La parte clave de la plataforma es un adaptador de alineación de máscara de microscopio (MMAA) impreso tridimensionalmente (3D) compatible con microscopios ópticos regulares y sistemas de exposición a la luz ultravioleta (UV). El proceso general de creación del dispositivo se ha simplificado enormemente debido al trabajo realizado para optimizar el diseño del dispositivo. El proceso implica encontrar las dimensiones adecuadas para los equipos disponibles en el laboratorio e imprimir en 3D el MMAA con las especificaciones optimizadas. Los resultados experimentales muestran que el MMAA optimizado diseñado y fabricado por impresión 3D funciona bien con un microscopio común y un sistema de exposición a la luz. Utilizando un molde maestro preparado por el MMAA impreso en 3D, los dispositivos microfluídicos resultantes con estructuras de múltiples capas contienen errores de alineación de <10 μm, que es suficiente para microchips comunes. Aunque el error humano a través del transporte del dispositivo al sistema de exposición a la luz UV puede causar errores de fabricación más grandes, los errores mínimos logrados en este estudio son alcanzables con práctica y cuidado. Además, el MMAA se puede personalizar para adaptarse a cualquier microscopio y sistema de exposición a los rayos UV realizando cambios en el archivo de modelado en el sistema de impresión 3D. Este proyecto proporciona a los laboratorios más pequeños una herramienta de investigación útil, ya que solo requiere el uso de equipos que normalmente ya están disponibles para los laboratorios que producen y utilizan dispositivos microfluídicos. El siguiente protocolo detallado describe el diseño y el proceso de impresión 3D para el MMAA. Además, los pasos para adquirir un molde maestro multicapa utilizando el MMAA y producir chips microfluídicos de poli(dimetilsiloxano) (PDMS) también se describen aquí.
Introduction
Un campo bien desarrollado y prometedor en la investigación de ingeniería es la microfabricación debido a la vasta extensión de aplicaciones que emplean plataformas microfluídicas. La microfabricación es un proceso en el que las estructuras se producen con características de tamaño μm o menor utilizando diferentes compuestos químicos. A medida que la investigación microfluídica se ha desarrollado en los últimos 30 años, la litografía blanda se ha convertido en la técnica de microfabricación más popular con la que producir microchips hechos de poli(dimetilsiloxano) (PDMS) o sustancias similares. Estos microchips se han utilizado ampliamente para la miniaturización de prácticas de laboratorio comunes1,2,3,4 y se han convertido en poderosas herramientas de investigación para que los ingenieros imiten los procesos de reacción5,6,7,estudien los mecanismos de reacción e imiten los órganos que se encuentran en el cuerpo humano in vitro (por ejemplo, órgano en un chip)8,9,10. Sin embargo, a medida que aumenta la complejidad de la aplicación, es típico que un diseño de dispositivo microfluídico más complejo permita una mejor replicación del sistema de la vida real que se pretende imitar.
El procedimiento básico de litografía blanda consiste en recubrir un sustrato con una sustancia fotorresistia y colocar una fotomáscara sobre el sustrato recubierto antes de someter el sustrato a la luz UV11. La fotomáscara tiene regiones transparentes que imitan el patrón deseado de los canales del dispositivo microfluídico. Al someter el sustrato recubierto a la luz UV, las regiones transparentes permiten que la luz UV penetre a través de la fotomáscara, haciendo que la fotorresistente se ticulte. Después del paso de exposición, la fotorresistente no reticulada se lava con un revelador, dejando estructuras sólidas con el patrón deseado. A medida que la complejidad de los dispositivos microfluídicos se hace mayor, requieren una construcción de múltiples capas con dimensiones extremadamente precisas. El proceso de microfabricación multicapa es mucho más difícil en comparación con la microfabricación de una sola capa.
La microfabricación multicapa requiere una alineación precisa de las características de la primera capa con los diseños de la segunda máscara. Normalmente, este proceso se realiza utilizando un alineador de máscara comercial, que es costoso y requiere capacitación para operar la maquinaria. Por lo tanto, el proceso de microfabricación multicapa es típicamente inalcanzable para los laboratorios más pequeños que carecen de los fondos o el tiempo para tales esfuerzos. Si bien se han desarrollado varios otros alineadores de máscaras personalizados, estos sistemas a menudo requieren la compra y el ensamblaje de muchas piezas diferentes y aún pueden ser bastante complejos12,13,14. Esto no solo es costoso para los laboratorios más pequeños, sino que también requiere tiempo y capacitación para construir, comprender y usar el sistema. El alineador de máscaras detallado en este documento buscó aliviar estos problemas, ya que no hay necesidad de comprar equipos adicionales, solo requieren equipos que generalmente ya están presentes en los laboratorios que producen y usan dispositivos microfluídicos. Además, el alineador de máscaras se fabrica mediante impresión 3D, que con el reciente avance de la tecnología de impresión 3D, se ha vuelto fácilmente disponible para la mayoría de los laboratorios y universidades a un costo asequible.
El protocolo detallado en este documento tiene como objetivo crear un alineador de máscara alternativo rentable y de fácil operación. El alineador de máscaras que se detalla aquí puede hacer que la microfabricación multicapa sea factible para laboratorios de investigación sin instalaciones de fabricación convencionales. Usando el adaptador de alineación de máscara de microscopio (MMAA), se pueden lograr microchips funcionales con características complejas utilizando una fuente de luz UV regular, microscopio óptico y equipo de laboratorio común. Los resultados muestran que el MMAA funciona bien con un sistema de ejemplo que utiliza un microscopio vertical y una caja de exposición a la luz UV. El MMAA producido utilizando el proceso de impresión 3D se utilizó para adquirir un molde maestro bicapa de un dispositivo microfluídico de espiga con errores de alineación mínimos. Utilizando el molde maestro fabricado con un MMAA impreso en 3D, se prepararon dispositivos microfluídicos con estructuras de múltiples capas que contenían errores de alineación de <10 μm. El error de alineación de <10 μm es lo suficientemente mínimo como para no dificultar la aplicación del dispositivo microfluídico.
Además, se confirmó la alineación exitosa de un molde maestro de cuatro capas producido con el MMAA, y se determinó que los errores de alineación eran de < 10 μm. La funcionalidad del dispositivo microfluídico y los errores de alineación mínimos validan la aplicación exitosa del MMAA en la creación de dispositivos microfluídicos multicapa. El MMAA se puede personalizar para adaptarse a cualquier microscopio y sistema de exposición a los rayos UV realizando cambios menores en el archivo de la impresora 3D. El siguiente protocolo describe los pasos necesarios para ajustar el MMAA para que se ajuste al equipo disponible en cada laboratorio e imprimir en 3D el MMAA con las especificaciones requeridas. Además, el protocolo detalla cómo desarrollar un molde maestro multicapa utilizando el sistema y posteriormente producir dispositivos microfluídicos PDMS utilizando el molde maestro. La generación del molde maestro y los chips microfluídicos permite al usuario probar la efectividad del sistema.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo mencionado anteriormente describe el procedimiento para imprimir en 3D un MMAA y utilizar el sistema para crear un molde maestro de dispositivo microfluídico preciso y multicapa. Aunque el dispositivo es fácil de usar, hay pasos críticos dentro del protocolo que requieren práctica y cuidado para garantizar la alineación adecuada de las capas maestras del molde. El primer paso crítico es el diseño del MMAA. Es esencial al diseñar el MMAA determinar las medidas exactas para el dispositivo que permitir?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A los autores les gustaría agradecer al Centro de Experiencias Transformadoras de Pregrado de la Universidad Tecnológica de Texas por proporcionar fondos para este proyecto. Los autores también desean agradecer el apoyo del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Texas.
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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