Çok Katmanlı Mikroakışkan Cihazların İmalatı için Üç Boyutlu Baskılı Mikroskop Maske Hizalama Adaptörü Tasarımı ve Geliştirilmesi
Summary
Bu proje, küçük laboratuvarların hassas çok katmanlı mikroakışkan cihazların üretimi için kullanımı kolay bir platform geliştirmesine izin verir. Platform, 10 μm hizalama hatası olan çok katmanlı mikroakışkan cihazların elde edildiği üç boyutlu baskılı mikroskop maske hizalama adaptöründen < oluşur.
Abstract
Bu proje, genellikle yalnızca temiz bir oda ortamında pahalı ekipmanlar kullanılarak elde edilebilen hassas, çok katmanlı mikroakışkan cihazların üretimi için kullanımı kolay ve uygun maliyetli bir platform geliştirmeyi amaçlamaktadır. Platformun önemli kısmı, normal optik mikroskoplar ve ultraviyole (UV) ışık maruziyet sistemleri ile uyumlu üç boyutlu (3D) baskılı mikroskop maske hizalama adaptörüdür (MMAA). Cihaz tasarımını optimize etmek için yapılan çalışmalar nedeniyle cihazı oluşturmanın genel süreci büyük ölçüde basitleştirilmiştir. Proses, laboratuvarda bulunan ekipman için uygun boyutları bulmayı ve MMAA’yı optimize edilmiş spesifikasyonlarla 3D yazdırmayı gerektirir. Deneysel sonuçlar, 3D baskı ile tasarlanan ve üretilen optimize edilmiş MMAA’nın ortak bir mikroskop ve ışığa maruz kalma sistemi ile iyi performans gösterdiğini göstermektedir. 3D baskılı MMAA tarafından hazırlanan bir ana kalıp kullanılarak, çok katmanlı yapılara sahip elde edilen mikroakışkan cihazlar, ortak mikroçipler için yeterli olan 10 μm < hizalama hataları içerir. Cihazın UV ışık maruziyet sistemine taşınması yoluyla insan hatası daha büyük imalat hatalarına neden olsa da, bu çalışmada elde edilen minimum hatalar uygulama ve bakım ile elde edilebilir. Ayrıca, MMAA, 3D baskı sistemindeki modelleme dosyasında değişiklikler yapılarak herhangi bir mikroskop ve UV pozlama sistemine uyacak şekilde özelleştirilebilir. Bu proje, daha küçük laboratuvarlara yararlı bir araştırma aracı sağlar, çünkü yalnızca mikroakışkan cihazlar üreten ve kullanan laboratuvarlar için genellikle zaten mevcut olan ekipmanın kullanılmasını gerektirir. Aşağıdaki ayrıntılı protokol, MMAA için tasarım ve 3D yazdırma işlemini özetlemektedir. Buna ek olarak, MMAA kullanarak çok katmanlı bir ana kalıp temin etme ve poli (dimetilsiloxane) (PDMS) mikroakışkan çipler üretme adımları da burada açıklanmıştır.
Introduction
Mühendislik araştırmalarında iyi gelişmiş ve umut verici bir alan, mikroakışkan platformları kullanan uygulamaların geniş genişliği nedeniyle mikrofabrikasyondur. Mikrofabrikasyon, yapıların farklı kimyasal bileşikler kullanılarak μm veya daha küçük boyutlu özelliklerle üretildiği bir işlemdir. Mikroakışkan araştırmalar son 30 yılda geliştiği gibi, yumuşak litografi poli (dimetilsiloxane) (PDMS) veya benzeri maddelerden yapılan mikroçiplerin üretileceği en popüler mikrofabrikasyon tekniği haline gelmiştir. Bu mikroçipler yaygın laboratuvar uygulamaları1, 2,3,4’ün minyatürleştirilmesi için yaygın olarak kullanılmıştır ve mühendislerin reaksiyon süreçlerini taklit etmek için güçlü araştırma araçları haline gelmiştir5,6,7, çalışma reaksiyon mekanizmaları ve insan vücudunda bulunan organları taklit etmek için in vitro (örneğin, çip üzerinde organ)8,9,10. Bununla birlikte, uygulamanın karmaşıklığı arttıkça, daha karmaşık bir mikroakışkan cihaz tasarımının taklit etmesi amaçlanan gerçek yaşam sisteminin daha iyi çoğaltılmış olmasına izin etmesi tipiktir.
Temel yumuşak litografi prosedürü, bir alt tabakanın fotoresist bir madde ile kaplanmasını ve alt tabakayı UV ışığı11’etabi etmeden önce kaplanmış substratın üzerine bir fotomask yerleştirmeyi içerir. Fotomask, mikroakışkan cihaz kanallarının istenen desenini taklit eden şeffaf bölgelere sahiptir. Kaplamalı alt tabakayı UV ışığına geçirirken, şeffaf bölgeler UV ışığının fotomasktan geçmesine izin vererek fotoresistin çapraz bağlantıya geçmesine neden olur. Pozlama adımından sonra, çapraz bağlantısız fotoresist bir geliştirici kullanılarak yıkanır ve sağlam yapılar hedeflenen desenle bırakilir. Mikroakışkan cihazların karmaşıklığı arttıkça, son derece hassas boyutlara sahip çok katmanlı yapı gerektirirler. Çok katmanlı mikrofabrikasyon işlemi, tek katmanlı mikrofabrikasyona kıyasla çok daha zordur.
Çok katmanlı mikrofabrikasyon, ilk katman özelliklerinin ikinci maskedeki tasarımlarla hassas bir şekilde hizalanmasını gerektirir. Normalde, bu işlem pahalı olan ve makineleri çalıştırmak için eğitim gerektiren ticari bir maske hizalayıcı kullanılarak gerçekleştirilir. Bu nedenle, çok katmanlı mikrofabrikasyon süreci, bu tür çabalar için fon veya zamandan yoksun daha küçük laboratuvarlar için tipik olarak ulaşılamaz. Diğer birkaç özel yapım maske hizalayıcısı geliştirilmiş olsa da, bu sistemler genellikle birçok farklı parçanın satın alınmasını ve montajını gerektirir ve hala oldukça karmaşık olabilir12,13,14. Bu sadece daha küçük laboratuvarlar için pahalı değil, aynı zamanda sistemi oluşturmak, anlamak ve kullanmak için zaman ve eğitim gerektirir. Bu makalede ayrıntılı olarak açıklanan maske hizalayıcısı, ek ekipman alımına gerek olmadığı için bu sorunları hafifletmeye çalıştı, sadece tipik olarak mikroakışkan cihazlar üreten ve kullanan laboratuvarlarda zaten mevcut olan ekipmanı gerektiriyordu. Buna ek olarak, maske hizalayıcı, 3D baskı teknolojisinin son zamanlarda ilerlemesiyle birlikte, çoğu laboratuvar ve üniversite için uygun bir maliyetle kolayca kullanılabilir hale gelen 3D baskı ile üretilmiştir.
Bu makalede ayrıntılı olarak açıklanan protokol, uygun maliyetli ve kolay kullanımlı bir alternatif maske hizalayıcısı oluşturmayı amaçlamaktadır. Burada ayrıntılı olarak açıklanan maske hizalayıcı, konvansiyonel imalat tesisleri olmayan araştırma laboratuvarları için çok katmanlı mikrofabrikasyonu mümkün kılabilir hale getirebilir. Mikroskop maskesi hizalama adaptörü (MMAA) kullanılarak, düzenli bir UV ışık kaynağı, optik mikroskop ve ortak laboratuvar ekipmanı kullanılarak karmaşık özelliklere sahip fonksiyonel mikroçipler elde edilebilir. Sonuçlar, MMAA’nın dik mikroskop ve UV ışığa maruz kalma kutusu kullanan örnek bir sistemle iyi performans gösterdiğini göstermektedir. 3D baskı işlemi kullanılarak üretilen MMAA, minimum hizalama hatası olan bir balıksırtı mikroakışkan cihazının bilayer ana kalıbını elde etmek için kullanıldı. 3D baskılı MMAA ile üretilen ana kalıp kullanılarak mikroakışkan cihazlar, 10 μm < hizalama hataları içeren çok katmanlı yapılarla hazırlandı. <10 μm'lik hizalama hatası, mikroakışkan cihazın uygulanmasını engellemeyecek kadar minimumdur.
Buna ek olarak, MMAA kullanılarak üretilen dört katmanlı bir ana kalıbın başarılı hizalaması onaylandı ve hizalama hatalarının 10 μm < olduğu belirlendi. Mikroakışkan cihazın işlevselliği ve minimum hizalama hataları, çok katmanlı mikroakışkan aygıtlar oluşturmada MMAA'nın başarılı uygulamasını doğrular. MMAA, 3D yazıcıdaki dosyada küçük değişiklikler yaparak herhangi bir mikroskop ve UV pozlama sistemine uyacak şekilde özelleştirilebilir. Aşağıdaki protokol, MMAA'yı her laboratuvarda bulunan ekipmana uyacak şekilde ince ayar yapmak ve MMAA'yı gerekli spesifikasyonlarla 3D yazdırmak için gereken adımları özetlemektedir. Buna ek olarak, protokol sistemi kullanarak çok katmanlı bir kalıp geliştirmek ve daha sonra ana kalıp kullanarak PDMS mikroakışkan cihazlar üretmek için nasıl ayrıntıları. Ana kalıp ve mikroakışkan yongaların üretilmesi, kullanıcının sistemin etkinliğini test etmesine izin verir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda belirtilen protokol, bir MMAA’yı 3D yazdırma ve sistemi hassas, çok katmanlı, mikroakışkan bir cihaz ana kalıbı oluşturmak için kullanma prosedürünü özetlemektedir. Cihazın kullanımı kolay olsa da, protokol içinde ana kalıp katmanlarının düzgün hizalamasını sağlamak için uygulama ve özen gerektiren kritik adımlar vardır. İlk kritik adım MMAA’nın tasarımıdır. MMAA’yı tasarlarken, UV ışık maruziyet sistemine uygun bir uyum sağlayacak cihaz için kesin ölçümleri belirlem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Texas Tech Üniversitesi Dönüştürücü Lisans Deneyimleri Merkezi’ni bu proje için finansman sağladığı için kabul etmek istiyor. Yazarlar ayrıca Texas Tech Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü’nden destek almak istiyor.
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
- Betancourt, T., Brannon-Peppas, L. Micro- and nanofabrication methods in nanotechnological medical and pharmaceutical devices. International Journal of Nanomedicine. 1 (4), 483-495 (2006).
- Wheeler, A. R., et al. Microfluidic device for single-cell analysis. Analytical Chemistry. 75 (14), 3581-3586 (2003).
- Kong, D. S., Carr, P. A., Chen, L., Zhang, S., Jacobson, J. M. Parallel gene synthesis in a microfluidic device. Nucleic Acids Research. 35 (8), 61 (2007).
- Yang, M., Li, C. -. W., Yang, J. Cell docking and on-chip monitoring of cellular reactions with a controlled concentration gradient on a microfluidic device. Analytical Chemistry. 74 (16), 3991-4001 (2002).
- Keles, H., et al. Development of a robust and reusable microreactor employing laser based mid-IR chemical imaging for the automated quantification of reaction kinetics. Organic Process Research & Development. 21 (11), 1761-1768 (2017).
- Losey, M. W., Jackman, R. J., Firebaugh, S. L., Schmidt, M. A., Jensen, K. F. Design and fabrication of microfluidic devices for multiphase mixing and reaction. Journal of Microelectromechanical Systems. 11 (6), 709-717 (2002).
- Kobayashi, J., et al. A microfluidic device for conducting gas-liquid-solid hydrogenation reactions. Science. 304 (5675), 1305-1308 (2004).
- Shuler, M. L. Advances in organ-, body-, and disease-on-a-chip systems. Lab on a Chip. 19 (1), 9-10 (2019).
- Kimura, H., Sakai, Y., Fujii, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 33 (1), 43-48 (2018).
- Lee, H., et al. A pumpless Multi-Organ-on-a-Chip (MOC) combined with a Pharmacokinetic-Pharmacodynamic (PK-PD) model. Biotechnology and Bioengineering. 114 (2), 432-443 (2017).
- Kang, S. -. W., Wang, M. Application of soft lithography for nano functional devices. Lithography. , 403-426 (2010).
- Challa, P. K., Kartanas, T., Charmet, J., Knowles, T. P. J. Microfluidic devices fabricated using fast wafer-scale LED-lithography patterning. Biomicrofluidics. 11, 014113 (2017).
- Li, X., et al. Desktop aligner for fabrication of multilayer microfluidic devices. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 075008 (2015).
- Pham, Q. L., Tong, N. -. A. N., Mathew, A., Voronov, R. S. A compact low-cost low-maintenance open architecture mask aligner for fabrication of multilayer microfluidics devices. Biomicrofluidics. 12 (4), 044119 (2018).
- Ravi, T., Ranganathan, R., Shunmugam, M. S., Kanthababu, M. Topology and build path optimization for reducing cost in FDM uPrint SE. Advances in Additive Manufacturing and Joining. , 189-198 (2019).
- SU-8 Permanent Negative Epoxy Photoresist. Kayaku Advanced Materials Available from: https://kayakuam.com/wp-content/uploads/2020/09/KAM-SU-8-50-100-Datasheet-9.3.20-Final.pdf (2020)
