Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten
Summary
Dieses Projekt ermöglicht es kleinen Laboren, eine einfach zu bedienende Plattform für die Herstellung präziser mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln. Die Plattform besteht aus einem dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapter, mit dem mehrschichtige mikrofluidische Geräte mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm erreicht wurden.
Abstract
Dieses Projekt zielt darauf ab, eine einfach zu bedienende und kostengünstige Plattform für die Herstellung präziser, mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln, die typischerweise nur mit kostspieligen Geräten in einem Reinraum erreicht werden kann. Der Hauptteil der Plattform ist ein dreidimensional (3D) gedruckter Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA), der mit normalen optischen Mikroskopen und UV-Licht-Belichtungssystemen kompatibel ist. Der gesamte Prozess der Erstellung des Geräts wurde aufgrund der Arbeit zur Optimierung des Gerätedesigns erheblich vereinfacht. Der Prozess beinhaltet die Suche nach den richtigen Abmessungen für die im Labor verfügbaren Geräte und den 3D-Druck der MMAA mit den optimierten Spezifikationen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das optimierte MMAA, das durch den 3D-Druck entwickelt und hergestellt wurde, mit einem gängigen Mikroskop- und Lichtbelichtungssystem gut funktioniert. Mit einer master-form, die von der 3D-gedruckten MMAA hergestellt wird, enthalten die resultierenden mikrofluidischen Geräte mit mehrschichtigen Strukturen Ausrichtungsfehler von <10 μm, was für gängige Mikrochips ausreicht. Obwohl menschliches Versagen durch den Transport des Geräts zum UV-Licht-Expositionssystem größere Herstellungsfehler verursachen kann, sind die minimalen Fehler, die in dieser Studie erzielt wurden, mit Übung und Sorgfalt erreichbar. Darüber hinaus kann die MMAA an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem Änderungen an der Modellierungsdatei im 3D-Drucksystem vorgenommen werden. Dieses Projekt bietet kleineren Laboren ein nützliches Forschungsinstrument, da es nur die Verwendung von Geräten erfordert, die normalerweise bereits für Labore verfügbar sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Das folgende detaillierte Protokoll beschreibt den Design- und 3D-Druckprozess für die MMAA. Darüber hinaus werden hier auch die Schritte zur Beschaffung eines mehrschichtigen Master-Werkzeugs unter Verwendung der MMAA und zur Herstellung von mikrofluidischen Poly(dimethylsiloxan)-Chips (PDMS) beschrieben.
Introduction
Ein gut entwickeltes und vielversprechendes Gebiet in der technischen Forschung ist die Mikrofabrikation aufgrund der großen Weite von Anwendungen, die mikrofluidische Plattformen verwenden. Mikrofabrikation ist ein Prozess, bei dem Strukturen mit μm- oder kleineren Merkmalen unter Verwendung verschiedener chemischer Verbindungen hergestellt werden. Mit der Entwicklung der mikrofluidischen Forschung in den letzten 30 Jahren hat sich die weiche Lithographie zur beliebtesten Mikrofabrikationstechnik entwickelt, mit der Mikrochips aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) oder ähnlichen Substanzen hergestellt werden können. Diese Mikrochips wurden häufig für die Miniaturisierung gängiger Laborpraktiken1,2,3,4 verwendet und sind zu leistungsstarken Forschungswerkzeugen für Ingenieure geworden, um Reaktionsprozesse5,6,7nachzuahmen, Reaktionsmechanismen zu untersuchen und Organe nachzuahmen, die im menschlichen Körper in vitro gefunden werden (z. B. Organ-on-a-Chip)8,9,10. Mit zunehmender Komplexität der Anwendung ist es jedoch typisch, dass ein komplexeres mikrofluidisches Gerätedesign eine bessere Replikation des realen Systems ermöglicht, das es imitieren soll.
Das grundlegende Verfahren der Weichlithographie besteht darin, ein Substrat mit einer Fotolacksubstanz zu beschichten und eine Fotomaske über das beschichtete Substrat zu legen, bevor das Substrat UV-Licht ausgesetzt wird11. Die Fotomaske hat transparente Bereiche, die das gewünschte Muster der mikrofluidischen Gerätekanäle nachahmen. Wenn das beschichtete Substrat UV-Licht ausgesetzt wird, lassen die transparenten Bereiche das UV-Licht durch die Fotomaske eindringen, wodurch der Fotolack vernetzt wird. Nach dem Belichtungsschritt wird der nicht vernetzte Fotolack mit einem Entwickler weggespült, wobei feste Strukturen mit dem beabsichtigten Muster hinterlassen werden. Da die Komplexität der mikrofluidischen Geräte immer größer wird, erfordern sie einen mehrschichtigen Aufbau mit extrem präzisen Abmessungen. Der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation ist im Vergleich zur einschichtigen Mikrofabrikation viel schwieriger.
Die mehrschichtige Mikrofabrikation erfordert eine präzise Ausrichtung der Merkmale der ersten Schicht mit den Designs auf der zweiten Maske. Normalerweise wird dieser Prozess mit einem kommerziellen Mask aligner durchgeführt, was teuer ist und eine Schulung zur Bedienung der Maschinen erfordert. Daher ist der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation für kleinere Labore, denen die Mittel oder die Zeit für solche Bemühungen fehlen, in der Regel unerreichbar. Während mehrere andere kundenspezifische Mask aligner entwickelt wurden, erfordern diese Systeme oft den Kauf und die Montage vieler verschiedener Teile und können immer noch ziemlich komplex sein12,13,14. Dies ist nicht nur für kleinere Labore teuer, sondern erfordert auch Zeit und Training, um das System zu erstellen, zu verstehen und zu verwenden. Der in diesem Artikel beschriebene Mask Aligner versuchte, diese Probleme zu lindern, da keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist, sondern nur Geräte erforderlich sind, die typischerweise bereits in Labors vorhanden sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Darüber hinaus wird der Mask Aligner durch 3D-Druck hergestellt, der mit der jüngsten Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie für die meisten Labore und Universitäten zu erschwinglichen Kosten leicht verfügbar geworden ist.
Das in diesem Dokument beschriebene Protokoll zielt darauf ab, einen kostengünstigen und einfach zu bedienenden alternativen Mask aligner zu schaffen. Der hier beschriebene Mask Aligner kann die mehrschichtige Mikrofabrikation für Forschungslabore ohne konventionelle Fertigungseinrichtungen ermöglichen. Mit dem Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA) können funktionelle Mikrochips mit komplexen Merkmalen mit einer normalen UV-Lichtquelle, einem optischen Mikroskop und gängigen Laborgeräten erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das MMAA mit einem Beispielsystem mit einem aufrechten Mikroskop und einer UV-Licht-Belichtungsbox gut funktioniert. Das im 3D-Druckverfahren hergestellte MMAA wurde verwendet, um eine zweischichtige Masterform eines mikrofluidischen Fischgrätengeräts mit minimalen Ausrichtungsfehlern zu erhalten. Mit der Masterform, die mit einem 3D-gedruckten MMAA hergestellt wurde, wurden mikrofluidische Geräte mit mehrschichtigen Strukturen mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm hergestellt. Der Ausrichtungsfehler von <10 μm ist minimal genug, um die Anwendung des mikrofluidischen Geräts nicht zu behindern.
Darüber hinaus wurde die erfolgreiche Ausrichtung einer mit dem MMAA hergestellten vierschichtigen Masterform bestätigt und Ausrichtungsfehler auf <10 μm festgestellt. Die Funktionalität des mikrofluidischen Geräts und minimale Ausrichtungsfehler bestätigen die erfolgreiche Anwendung der MMAA bei der Erstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten. Die MMAA kann an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem geringfügige Änderungen an der Datei im 3D-Drucker vorgenommen werden. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die MMAA an die in jedem Labor verfügbaren Geräte anzupassen und die MMAA mit den erforderlichen Spezifikationen in 3D zu drucken. Darüber hinaus beschreibt das Protokoll, wie eine mehrschichtige Master-Form mit dem System entwickelt und anschließend PDMS-Mikrofluidik-Geräte mit der Master-Form hergestellt werden. Die Generierung der Masterform und der mikrofluidischen Chips ermöglicht es dem Benutzer, die Wirksamkeit des Systems zu testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das oben genannte Protokoll beschreibt das Verfahren für den 3D-Druck einer MMAA und die Verwendung des Systems, um eine präzise, mehrschichtige, mikrofluidische Geräte-Masterform zu erstellen. Obwohl das Gerät einfach zu bedienen ist, gibt es kritische Schritte innerhalb des Protokolls, die Übung und Sorgfalt erfordern, um eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Master-Mold-Schichten sicherzustellen. Der erste kritische Schritt ist das Design der MMAA. Bei der Entwicklung der MMAA ist es wichtig, die genauen Messunge…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten dem Center for Transformative Undergraduate Experiences der Texas Tech University für die Finanzierung dieses Projekts danken. Die Autoren möchten auch die Unterstützung des Chemical Engineering Department der Texas Tech University anerkennen.
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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