Одноэтапный подход к фабрикации полидиметилсилоксан Microfluidic каналы различных геометрических секций путем последовательных мокрой офорт процессов
Summary
Для изготовления каналов не прямоугольного сечения, встроенных в полидиметилсилоксан microfluidic приборы доступны несколько методов. Большинство из них связаны с многоступенчатым производства и обширные выравнивание. В этом документе одноэтапный подход сообщается для изготовления microfluidic каналы различных геометрических сечений полидиметилсилоксан последовательных мокрой травления.
Abstract
Полидиметилсилоксан (PDMS) материалы существенно используются для изготовления microfluidic приборы с помощью методов формования мягких литографии реплики. Индивидуальная настройка каналов макет дизайна являются необходимыми для конкретных функций и комплексной производительности microfluidic приборы в многочисленных приложениях биомедицинских и химического (например, культуры клеток, biosensing, химического синтеза и обработки жидких). Ввиду характера литья подходы с использованием кремниевых пластин с слоёв фоторезиста узорной фотолитографии как мастер форм microfluidic каналы обычно имеют регулярные сечений прямоугольной формы с идентичными высот. Как правило, каналы с нескольких высот или различные геометрические разделы предназначены для обладают определенной функции и выполнять в различных приложениях microfluidic (например, hydrophoresis используется для сортировки частиц и непрерывного притока для разделение клетки крови6,,78,9). Таким образом много усилий был достигнут в создании каналов с различными секциями через несколько шагов подходов как фотолитографии, используя несколько слоёв фоторезиста и монтаж различных PDMS тонкие листы. Тем не менее такие подходы многошаговая обычно включают утомительных процедур и обширный инструментарий. Кроме того сфабрикованные устройства не могут выполнять последовательно и приведенные экспериментальные данные могут быть непредсказуемыми. Здесь одноэтапный подход разработан для простой изготовления microfluidic каналов с различных геометрических сечений через PDMS последовательных мокрой офорт процессов, что вводит etchant в каналы запланированных однослойной макетов Встроенный в материалах PDMS. По сравнению с существующими методами для изготовления PDMS microfluidic каналов с различными геометриями, развитые одноэтапный подход может значительно упростить процесс для изготовления каналы с-прямоугольные или различных высот. Следовательно метод является способ построения сложных microfluidic каналов, которое обеспечивает изготовление решение для продвижения инновационных microfluidic систем.
Introduction
Microfluidic методы имеют обращается внимание в последние десятилетия из-за их внутренние преимущества для целого ряда медико-биологических и химических исследований и приложений. В настоящее время, таких как полимеры, керамики и материалы кремния доступны несколько вариантов использования материалов для строительства microfluidic фишки. В меру наших знаний, среди материалов microfluidic PDMS является наиболее распространенным из-за своих соответствующих свойств материала для различных микрофлюидика исследований и приложений, включая его оптических и биологическая совместимость с частицами, жидкости и чрезвычайно малые живые организмы1,–2,–3,–4,–5. Кроме того, химических и структура механических свойств поверхности PDMS материалов могут корректироваться для облегчения микроэлектромеханические и mechanobiological исследований, применяя такие на полимерной основе microfluidic приборы10, 11,12. Относительно изготовления microfluidic приборы с дизайном канала шаблоны, мягкие литографии реплики литья методы обычно применяются для создания microfluidic каналов, используя их соответствующие главной формы, которые состоят из Фотолитография узорные фоторезиста слои и кремниевых пластин субстратов12. Ввиду характера литья подходы с использованием кремниевых пластин с узорными фоторезиста слои каналы microfluidic обычно имеют регулярные сечений прямоугольной формы с идентичными высот.
Недавно исследователи добились значительного прогресса в биомедицинских исследований, которые касаются, например, сортировки частиц и клеток с помощью hydrophoresis, отделяя плазмы крови и обогащая белые кровяные клетки, применяя microfluidic фишки с каналами различной высоты или геометрические разделы6,,78,9. Такая сортировка и разделение функций микрофлюидика для биомедицинских приложений реализуются путем настройки каналов с различных геометрических секций. Несколько исследований были посвящены изготовления microfluidic каналов с сечений различной геометрии функций путем изготовления мастер формы конкретных фактурная различных высот или непрямоугольной сечений. Эти исследования на изготовление формы включают в себя такие методы, как многошаговый фотолитографии, фоторезист оплавления и серо масштаб литографией13,14,15. Неизбежно существующие методы связаны с мелко созданного фотошаблонов или точное выравнивание в многоэтапный производственные процессы, которые могут существенно повысить уровень сложности соответствующего изготовления microfluidic каналов. До настоящего времени было предпринято несколько попыток на единый этапа производственных процессов для microfluidic каналов различных секций, но соответствующие методы весьма ограничены конкретным поперечного сечения формы каналов16.
За последние два десятилетия помимо подходы литья под давлением для изготовления PDMS microfluidic каналов с различными секциями, травления методы структурирования PDMS каналы с геометрическими характеристиками стали изготовление выбора в различных microfluidic приложений. Например наряду с PDMS многослойного склеивания для построения пневматический сработанный клетки культуры устройство микрофлюидика с восстановленного орган уровня легких функции17эксплуатируется PDMS мокрой травления. PDMS мокрой травления техника используется вместе с PDMS литья на цилиндрические microwells станке, систем автоматизированного управления для изготовления 3D PDMS микроиглы массивы18. PDMS сухого травления используется чтобы PDMS микроструктур как части микро электромеханические приводы19,20. Пористые PDMS мембраны с дизайном поры макеты также изготавливаются путем сухого травления процессы21. Мокрого и сухого травления методы могут быть интегрированы кучность PDMS фильмов с назначенным геометрические фигуры22.
Однако методы травления для формирования PDMS канал структур с сложных раздел формы обычно не применяется из-за их внутренние ограничения на изготовление microfluidic. Во-первых хотя были созданы методы PDMS мокрой травления, используя ламинарного потоков химических веществ для создания каналов microfluidic различных секций, формирование секции последующих канала по-прежнему ограничен из-за основные характеристики изотропного травления химических процессов23. Кроме того даже несмотря на то, что там, кажется, разумно пространства для управления раздел геометрии канала в микрофлюидика изготовления с использованием PDMS сухого травления методы20, время необходимые вытравливания обычно слишком долго (в плане часов) быть практические для изготовления microfluidic фишек. Кроме того, травления селективности между PDMS материалов и соответствующей маски слоёв фоторезиста может быть низкой в целом, и результате травления глубины для каналов, таким образом, не являются приемлемыми20.
В этой статье мы разрабатываем одноэтапный подход к изготовить microfluidic каналы различных геометрических сечений PDMS последовательных мокрой офорт процессов (в дальнейшем именуемый SWEP). SWEP начинаются с устройством microfluidic PDMS с однослойной каналами. С ассорти из макета дизайна каналов фабрикуют microfluidic каналов с различных геометрических разделы различных видов может быть достигнуто путем последовательного офорт процессов. Последовательные травления необходимо только etchant быть введены специфические каналы запланированных однослойной макетов, встроенные в материалах PDMS. По сравнению с обычными процессами изготовления PDMS, SWEP просто требуют еще один шаг для изготовления microfluidic каналы прямоугольные или различных высот. Предлагаемый SWEP обеспечивают простой способ изготовления microfluidic каналов с различными секциями вдоль направления потока, которые могут значительно упростить процессы в вышеупомянутых методов.
Protocol
Representative Results
Discussion
За последние десятилетия микрофлюидика предложило перспективные средства, в которой может быть экспериментальной платформы для химических и биомедицинских исследований построены систематически,1,2,3,4 <sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы с благодарностью признаем поддержку национальных институтов здравоохранения исследований (НПЗУ) в Тайване под инновационный исследовательский грант (IRG) (EX106-10523EI), Тайвань министерства науки и технологии (наиболее 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) и развитию премии Академии Синика карьеры. Авторы хотели бы поблагодарить Хен-Хуа Hsu для корректуры рукопись.
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).
