One-Step approccio a fabbricare canali microfluidici Polydimethylsiloxane di diverse sezioni geometriche da processi sequenziali acquaforte bagnata
Summary
Diversi metodi sono disponibili per la realizzazione di canali di sezioni non rettangolari incorporati in dispositivi microfluidici polidimetilsilossano. La maggior parte di essi coinvolgono produzione multistep e vasto allineamento. In questa carta, un approccio One-Step è segnalato per la realizzazione di canali microfluidici di diverse sezioni trasversali geometriche di polidimetilsilossano sequenziale acquaforte bagnata.
Abstract
Materiali di polidimetilsilossano (PDMS) sostanzialmente vengono sfruttate per fabbricare dispositivi microfluidici mediante tecniche di stampaggio di litografia soft replica. Progettazione di layout di canale personalizzati sono necessari per determinate funzioni e prestazioni integrato di dispositivi microfluidici nelle numerose applicazioni biomediche e chimiche (per esempio, la coltura cellulare, biosensori, sintesi chimica e dei liquidi). A causa della natura di approcci utilizzando wafer di silicio con strati di photoresist modellati di fotolitografia come master stampi di stampaggio, i canali microfluidici comunemente hanno sezioni trasversali regolari di forme rettangolari con altezze identiche. In genere, canali con più altezze o sezioni geometriche differenti sono progettati per possedere particolari funzioni e ad esibirsi in varie applicazioni di microfluidica (ad esempio, hydrophoresis viene utilizzato per l’ordinamento di particelle e in flussi continui per che separa le cellule del sangue6,7,8,9). Pertanto, una grande quantità di sforzo è stata fatta nella costruzione di canali con varie sezioni attraverso approcci più-passaggio come fotolitografia utilizzando diversi strati di photoresist e l’assemblaggio di diversi PDMS sottili fogli. Tuttavia, tali approcci più-passaggio di solito comportano procedure noiose e ampia strumentazione. Inoltre, i dispositivi fabbricati non possono eseguire in modo coerente e ha portati dati sperimentali potrebbero essere imprevedibili. Qui, un approccio One-Step è sviluppato per la semplice realizzazione di canali microfluidici con diverse sezioni trasversali geometriche attraverso processi sequenziali acquaforte bagnata di PDMS, che introduce il mordenzante in canali di pianificato monostrato layout incorporato in materiali PDMS. Rispetto ai metodi esistenti per la produzione di canali microfluidici PDMS con diverse geometrie, l’approccio sviluppato uno stadio è in grado di semplificare notevolmente il processo per fabbricare canali con sezioni non rettangolari o di varie altezze. Di conseguenza, la tecnica è un modo di costruire canali microfluidici complessi, che fornisce una soluzione di montaggio per l’avanzamento di sistemi microfluidici innovativi.
Introduction
Tecniche di microfluidica hanno attirato l’attenzione negli ultimi decenni a causa della loro vantaggi intrinseci per una varietà di applicazioni e ricerca biomedica e chimica. Diverse opzioni di utilizzo del materiale per la costruzione di chip microfluidici sono disponibili al giorno d’oggi, come polimeri, ceramica e materiali di silicio. Al meglio della nostra conoscenza, tra i materiali di microfluidica, PDMS è quella più comune grazie alle sue proprietà di materiale appropriato per vari microfluidica ricerca e applicazioni, comprese le sue compatibilità ottiche e biologici con particelle, fluidi e gli organismi viventi estremamente piccoli di1,2,3,4,5. Inoltre, le proprietà meccaniche chimica e struttura superficiale dei materiali PDMS possono essere regolate per facilitare studi microelettromeccanici e mechanobiological applicando tali dispositivi microfluidici basati su polimeri10, 11,12. Per quanto riguarda la produzione di dispositivi microfluidici con modelli di canale progettato, litografia soft replica stampaggio metodi sono applicati solitamente per creare i canali microfluidici utilizzando loro stampi master corrispondenti che sono composti da strati di photoresist fotolitografia-fantasia e silicon wafer substrati12. A causa della natura di approcci utilizzando wafer di silicio con strati di photoresist modellati del modanatura, i canali microfluidici comunemente hanno sezioni trasversali regolari di forme rettangolari con altezze identiche.
Recentemente, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi in studi biomedici che si occupano, per esempio, particelle ordinamento e celle utilizzando hydrophoresis, che separa il plasma sanguigno e arricchendo le cellule bianche del sangue applicando chip microfluidici con canali di diverse altezze o sezioni geometriche6,7,8,9. Tale selezione e separazione funzioni della microfluidica per applicazioni biomediche sono realizzati mediante la personalizzazione dei canali con diverse sezioni geometriche. Parecchi studi sono stati dedicati alla fabbricazione di canali microfluidici con sezioni trasversali delle caratteristiche di geometria diversa da fabbricare stampi master con specifici modelli di superficie di varie altezze o sezioni trasversali non rettangolare. Questi studi sulla fabbricazione della muffa includono tali tecniche come multi-step fotolitografia, riflusso di photoresist e scala di grigi Litografia13,14,15. Le tecniche esistenti comportano inevitabilmente, delle maschere finemente lavorate e un allineamento preciso nei processi di produzione multi-step, che sostanzialmente può migliorare i livelli di complessità di fabbricazione corrispondente dei canali microfluidici. Finora, parecchi tentativi sono stati fatti sui processi di fabbricazione unico passaggio per canali microfluidici di varie sezioni, ma le rispettive tecniche sono altamente limitate a forme specifiche della sezione trasversale di canali16.
Durante le due decadi scorse, oltre gli approcci di stampaggio per la realizzazione di PDMS canali microfluidici con varie sezioni, acquaforte tecniche per patterning canali PDMS con caratteristiche geometriche sono diventati la fabbricazione di scelta in una varietà di applicazioni di microfluidica. Per esempio, acquaforte bagnata PDMS è sfruttato con PDMS multi-strato di legame per la costruzione di un dispositivo di cultura cellulare ad azionamento pneumatico della microfluidica con ricostituito livello di organo polmone funzioni17. Sul bagnato PDMS incisione tecnica è impiegato insieme al casting di PDMS su cilindrici micropozzetti lavorati dai sistemi di controllo computerizzato per fabbricare 3D PDMS microneedle matrici18. Incisione a secco PDMS è usato per fare le microstrutture PDMS come parti di micro-elettromeccanici attuatori19,20. Membrane porose PDMS con poro progettato layout sono realizzate anche attraverso processi di incisione a secco21. Sia sul bagnato e le tecniche di incisione a secco possono essere integrate in patterning film PDMS con forme geometriche designato22.
Tuttavia, le tecniche di incisione per la formazione di PDMS canale strutture con sezione complesse forme comunemente non sono state applicate a causa delle loro intrinseche limitazioni sulla fabbricazione di microfluidica. In primo luogo, mentre le tecniche di attacco a umido PDMS utilizzando flussi laminari di sostanze chimiche per la creazione di canali microfluidici di varie sezioni sono state stabilite, la formazione di sezione canale successivo è ancora limitata a causa delle caratteristiche di base di incisione chimica isotropo elabora23. Inoltre, anche se sembra esserci abbastanza spazio per controllare le geometrie di sezione del canale in una montatura di microfluidica utilizzando l’asciutto PDMS acquaforte tecniche20, il tempo richiesto acquaforte è solitamente troppo lungo (in termini di ore) per essere pratico per la produzione di chip microfluidici. In aggiunta, la selettività di incisione tra materiali PDMS e il mascheramento corrispondente photoresist strati potrebbero essere bassi in generale, e le profondità acidate ha portate per i canali sono, quindi, non accettabile20.
In questa carta, sviluppiamo un approccio One-Step per fabbricare canali microfluidici di diverse sezioni trasversali geometriche di processi sequenziali acquaforte bagnata PDMS (in appresso denominato SWEP). La SWEP iniziano con un dispositivo microfluidico PDMS con canali mono-strato. Con disegni assortiti layout dei canali, fabbricando canali microfluidici con diverse sezioni geometriche di vario genere può essere raggiunto attraverso processi acquaforte sequenziale. L’acquaforte sequenza deve solo un mordenzante ad essere introdotti in canali specifici dei layout pianificato monostrato incorporato in materiali PDMS. Rispetto ai processi convenzionali di fabbricazione PDMS, la SWEP richiedono solo un passo avanti per fabbricare canali microfluidici delle sezioni non rettangolari o varie altezze. La SWEP proposte consentono di fabbricare canali microfluidici con varie sezioni lungo la direzione del flusso, che può semplificare notevolmente i processi in metodi di cui sopra in modo diretto e semplice.
Protocol
Representative Results
Discussion
Negli ultimi decenni, microfluidica ha offerto mezzo promettente che piattaforme sperimentali per la ricerca biomedica e chimica possono essere costruito sistematicamente1,2,3,4, 5. Le piattaforme hanno presentato le loro capacità di indagare diverse funzioni cellulari in vivo in condizioni fisiologiche microambiente via in vitro delle cell…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno fornito da istituti nazionali per la ricerca salute (vi) in Taiwan sotto l’innovativa ricerca Grant (IRG) (EX106-10523EI), Taiwan Ministero di scienza e tecnologia (più 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) e l’Academia Sinica Career Development Award. Gli autori vorrei ringraziare Heng-Hua Hsu per la correzione del manoscritto.
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).
