Ontwerp en ontwikkeling van een driedimensionaal gedrukte microscoopmaskeruitlijnadapter voor de fabricage van meerlaagse microfluïdische apparaten
Summary
Dit project stelt kleine laboratoria in staat om een eenvoudig te gebruiken platform te ontwikkelen voor de fabricage van nauwkeurige meerlaagse microfluïdische apparaten. Het platform bestaat uit een driedimensionaal geprinte microscoopmaskeruitlijnadapter waarmee meerlaagse microfluïdische apparaten met uitlijningsfouten van <10 μm werden bereikt.
Abstract
Dit project heeft tot doel een gebruiksvriendelijk en kosteneffectief platform te ontwikkelen voor de fabricage van nauwkeurige, meerlaagse microfluïdische apparaten, die meestal alleen kunnen worden bereikt met dure apparatuur in een cleanroomomgeving. Het belangrijkste onderdeel van het platform is een driedimensionaal (3D) geprinte microscoop masker uitlijning adapter (MMAA) compatibel met gewone optische microscopen en ultraviolet (UV) licht belichtingssystemen. Het algehele proces van het maken van het apparaat is enorm vereenvoudigd vanwege het werk dat is gedaan om het apparaatontwerp te optimaliseren. Het proces omvat het vinden van de juiste afmetingen voor de apparatuur die beschikbaar is in het laboratorium en het 3D-printen van de MMAA met de geoptimaliseerde specificaties. Experimentele resultaten tonen aan dat de geoptimaliseerde MMAA ontworpen en vervaardigd door 3D-printen goed presteert met een gemeenschappelijk microscoop- en lichtblootstellingssysteem. Met behulp van een master mold bereid door de 3D-geprinte MMAA, bevatten de resulterende microfluïdische apparaten met meerlagige structuren uitlijningsfouten van < 10 μm, wat voldoende is voor gangbare microchips. Hoewel menselijke fouten door het transport van het apparaat naar het UV-lichtblootstellingssysteem grotere fabricagefouten kunnen veroorzaken, zijn de minimale fouten die in deze studie worden bereikt met oefening en zorg haalbaar. Bovendien kan de MMAA worden aangepast aan elk microscoop- en UV-belichtingssysteem door wijzigingen aan te brengen in het modelleringsbestand in het 3D-printsysteem. Dit project biedt kleinere laboratoria een nuttig onderzoeksinstrument omdat het alleen het gebruik vereist van apparatuur die meestal al beschikbaar is voor laboratoria die microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Het volgende gedetailleerde protocol schetst het ontwerp- en 3D-printproces voor de MMAA. Bovendien worden de stappen voor het verkrijgen van een meerlaagse master mold met behulp van de MMAA en het produceren van poly(dimethylsiloxaan) (PDMS) microfluïdische chips hierin ook beschreven.
Introduction
Een goed ontwikkeld en veelbelovend gebied in technisch onderzoek is microfabrication vanwege de enorme uitgestrektheid van toepassingen met microfluïdische platforms. Microfabrication is een proces waarbij structuren worden geproduceerd met μm- of kleinere kenmerken met behulp van verschillende chemische verbindingen. Naarmate microfluïdisch onderzoek zich in de afgelopen 30 jaar heeft ontwikkeld, is zachte lithografie de meest populaire microfabrication-techniek geworden waarmee microchips kunnen worden gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) of soortgelijke stoffen. Deze microchips zijn op grote schaal gebruikt voor de miniaturisatie van gemeenschappelijke laboratoriumpraktijken1,2,3,4 en zijn krachtige onderzoeksinstrumenten geworden voor ingenieurs om reactieprocessen na te bootsen5,6,7, studiereactiemechanismen en organen na te bootsen die in vitro in het menselijk lichaam zijn gevonden (bijv. orgaan-op-een-chip)8,9,10. Naarmate de complexiteit van de toepassing toeneemt, is het echter typisch dat een complexer microfluïdisch apparaatontwerp een betere replicatie mogelijk maakt van het real-life systeem dat het moet imiteren.
De basisprocedure voor zachte lithografie omvat het coaten van een substraat met een fotoresistische stof en het plaatsen van een fotomasker over het gecoate substraat voordat het substraat wordt onderworpen aan UV-licht11. Het fotomasker heeft transparante gebieden die het gewenste patroon van de microfluïdische apparaatkanalen nabootsen. Bij het onderwerpen van het gecoate substraat aan UV-licht, laten de transparante gebieden het UV-licht door het fotomasker dringen, waardoor de fotoresist wordt gekruist. Na de belichtingsstap wordt de niet-gekruiste fotoresist weggespoeld met behulp van een ontwikkelaar, waardoor solide structuren achterblijven bij het beoogde patroon. Naarmate de complexiteit van de microfluïdische apparaten groter wordt, vereisen ze een meerlaagse constructie met uiterst nauwkeurige afmetingen. Het proces van meerlaagse microfabsoenatie is veel moeilijker in vergelijking met eenlaagse microfabation.
Meerlaagse microfabrication vereist een nauwkeurige uitlijning van de kenmerken van de eerste laag met de ontwerpen op het tweede masker. Normaal gesproken wordt dit proces uitgevoerd met behulp van een commerciële maskeruitlijner, die duur is en training vereist om de machines te bedienen. Het proces van meerlaagse microfabrication is dus meestal onbereikbaar voor kleinere laboratoria die de fondsen of tijd voor dergelijke inspanningen missen. Hoewel verschillende andere op maat gemaakte maskeruitlijners zijn ontwikkeld, vereisen deze systemen vaak de aankoop en assemblage van veel verschillende onderdelen en kunnen ze nog steeds vrij complex zijn12,13,14. Dit is niet alleen duur voor kleinere laboratoria, maar vereist ook tijd en training om het systeem te bouwen, te begrijpen en te gebruiken. De maskeruitlijner die in dit document wordt beschreven, probeerde deze problemen te verlichten, omdat er geen behoefte is aan de aankoop van extra apparatuur, waarvoor alleen apparatuur nodig is die meestal al aanwezig is in laboratoria die microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Bovendien wordt de maskeruitlijner vervaardigd door 3D-printen, dat met de recente vooruitgang van 3D-printtechnologie gemakkelijk beschikbaar is geworden voor de meeste laboratoria en universiteiten tegen betaalbare kosten.
Het protocol dat in dit document wordt beschreven, is bedoeld om een kosteneffectieve en eenvoudig te bedienen alternatieve maskeruitlijner te creëren. De maskeruitlijner die hierin wordt beschreven, kan meerlaagse microfabrication haalbaar maken voor onderzoekslaboratoria zonder conventionele fabricagefaciliteiten. Met behulp van de microscope mask alignment adapter (MMAA) kunnen functionele microchips met complexe functies worden bereikt met behulp van een gewone UV-lichtbron, optische microscoop en gemeenschappelijke laboratoriumapparatuur. De resultaten laten zien dat de MMAA goed presteert met een voorbeeldsysteem met behulp van een rechtopstaande microscoop en een UV-lichtbelichtingsbox. De MMAA geproduceerd met behulp van het 3D-printproces werd gebruikt om een tweelaagse mastervorm van een visgraatmicrofluïdisch apparaat te verkrijgen met minimale uitlijningsfouten. Met behulp van de master mal vervaardigd met een 3D-geprinte MMAA, werden microfluïdische apparaten bereid met meerlagige structuren met uitlijningsfouten van < 10 μm. De uitlijningsfout van <10 μm is minimaal genoeg om de toepassing van het microfluïdische apparaat niet te belemmeren.
Bovendien werd de succesvolle uitlijning van een vierlaagse master mold geproduceerd met behulp van de MMAA bevestigd en werden uitlijningsfouten vastgesteld op < 10 μm. De functionaliteit van het microfluïdische apparaat en minimale uitlijningsfouten valideren de succesvolle toepassing van de MMAA bij het maken van meerlaagse microfluïdische apparaten. De MMAA kan worden aangepast aan elke microscoop en UV-belichtingssysteem door kleine wijzigingen aan te brengen in het bestand in de 3D-printer. Het volgende protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om de MMAA af te stemmen op de beschikbare apparatuur in elk laboratorium en de MMAA 3D-print met de vereiste specificaties. Bovendien beschrijft het protocol hoe u een meerlaagse mastermammel kunt ontwikkelen met behulp van het systeem en vervolgens PDMS-microfluïdische apparaten kunt produceren met behulp van de master mold. Het genereren van de master mold en microfluïdische chips stelt de gebruiker vervolgens in staat om de effectiviteit van het systeem te testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het bovengenoemde protocol schetst de procedure voor het 3D-printen van een MMAA en het gebruik van het systeem om een nauwkeurige, meerlaagse, microfluïdische apparaatmodelvorm te maken. Hoewel het apparaat gemakkelijk te gebruiken is, zijn er kritieke stappen binnen het protocol die oefening en zorg vereisen om een goede uitlijning van de hoofdmaslagen te garanderen. De eerste kritische stap is het ontwerp van de MMAA. Het is essentieel bij het ontwerpen van de MMAA om de exacte metingen voor het apparaat te bepalen d…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen het Center for Transformative Undergraduate Experiences van texas tech university erkennen voor het verstrekken van financiering voor dit project. De auteurs willen ook de steun van de afdeling Chemical Engineering van de Texas Tech University erkennen.
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)
