النهج خطوة واحدة إلى اختﻻق بولي دايمثيل سيلوكسان موائع جزيئية القنوات الأقسام الهندسية المختلفة بعمليات الحفر الرطب متسلسلة
Summary
تتوفر طرق عدة لتلفيق القنوات الأقسام مستطيل غير مضمن في أجهزة موائع جزيئية بولي دايمثيل سيلوكسان. معظمهم من إشراك صناعة متعددة الخطوات والمحاذاة واسعة النطاق. في هذه الورقة، ويقال نهج خطوة واحدة لاختلاق القنوات موائع جزيئية للمقاطع العرضية هندسية مختلفة من بولي دايمثيل سيلوكسان النقش الرطب متسلسلة.
Abstract
وتستغل مواد “بولي دايمثيل سيلوكسان” (PDMS) إلى حد كبير اختﻻق أجهزة موائع جزيئية باستخدام تقنيات صب نسخة الطباعة الحجرية الناعمة. قناة مخصصة تصاميم ضرورية لوظائف محددة والأداء المتكامل لأجهزة موائع جزيئية في العديد من التطبيقات الطبية الحيوية والكيميائية (مثل زراعة الخلايا وبيوسينسينج والتوليف الكيميائي ومناولة السائل). نظراً لطبيعة صب النهج التي تستخدم رقائق السيليكون مع الطبقات مقاوم الضوء منقوشة بالطباعة الحجرية التصويرية كقوالب رئيسية، قد القنوات موائع جزيئية عادة منتظمة المقاطع العرضية للأشكال المستطيلة مع ارتفاعات مماثلة. عادة، صممت القنوات مع مرتفعات أو أقسام هندسية مختلفة متعددة تمتلك وظائف معينة وأداء في تطبيقات موائع جزيئية مختلفة (مثلاً، هيدروفوريسيس ويستخدم لفرز الجزيئات وفي تدفقات مستمرة من أجل فصل خلايا الدم6،7،،من89). ولذلك، قد أحرز قدرا كبيرا من الجهد في بناء قنوات مع الأقسام المختلفة من خلال نهج الخطوة متعددة مثل الطباعة التصويرية باستخدام عدة طبقات مقاوم الضوء وجمعية PDMS مختلفة رقيقة الأوراق. ومع ذلك، تتضمن مثل هذه النهج متعددة الخطوات عادة إجراءات شاقة والأجهزة واسعة النطاق. وعلاوة على ذلك، الأجهزة ملفقة قد لا تؤدي دائماً، وقد يكون نجم عن البيانات التجريبية لا يمكن التنبؤ بها. وهنا، هو وضع نهج خطوة واحدة لتلفيق مباشرة من القنوات موائع جزيئية مع مقاطع هندسية مختلفة من خلال عمليات متسلسلة النقش الرطب PDMS، أن يدخل تنميش قنوات المخطط طبقة واحدة تخطيطات جزءا لا يتجزأ من مواد PDMS. مقارنة بالأساليب الحالية لتصنيع PDMS موائع جزيئية القنوات مع الهندسات المختلفة، يمكن تبسيط النهج المتقدمة في خطوة واحدة إلى حد كبير عملية اختﻻق القنوات مع الأقسام غير مستطيل أو ارتفاعات مختلفة. ونتيجة لذلك، هو الأسلوب طريقة تشييد قنوات موائع جزيئية معقدة، مما يوفر حلاً تلفيق للنهوض بنظم مبتكرة موائع جزيئية.
Introduction
تقنيات موائع جزيئية قد الانتباه على مدى العقود الماضية بسبب مزاياها الذاتية لمجموعة متنوعة من التطبيقات والبحوث الطبية البيولوجية والكيميائية. تتوفر عدة خيارات الاستخدام المادي لبناء رقائق موائع جزيئية في الوقت الحاضر، مثل البوليمرات والسيراميك والمواد السيليكون. لأفضل لمعرفتنا، بين المواد موائع جزيئية، PDMS هو الأكثر شيوعاً بسبب خصائصه المادية المناسبة لمختلف ميكروفلويديكس البحوث والتطبيقات، بما في ذلك التوافق الضوئية والبيولوجية مع الجسيمات، السوائل، والكائنات الحية الصغيرة للغاية1،2،3،،من45. وعلاوة على ذلك، يمكن تعديل الخصائص الميكانيكية الكيميائية والبنية السطحية المواد PDMS لتيسير الدراسات الكهروميكانيكية وميتشانوبيولوجيكال بتطبيق تلك المستندة إلى البوليمر موائع جزيئية الأجهزة10، 11،12. فيما يتعلق بتصنيع أجهزة موائع جزيئية مع أنماط القناة مصممة، عادة يتم تطبيق أساليب صب نسخة الطباعة الحجرية الناعمة إنشاء قنوات موائع جزيئية باستخدام على قوالب الرئيسية المقابلة التي تتكون من الطبقات مقاوم الضوء منقوشة التصويرية والسليكون ويفر ركائز12. نظراً لطبيعة صب النهج التي تستخدم رقائق السيليكون مع الطبقات مقاوم الضوء منقوشة، لديها قنوات موائع جزيئية عادة المقاطع العرضية العادية من الأشكال المستطيلة مع ارتفاعات مماثلة.
في الآونة الأخيرة، الباحثين وقد أحرزت تقدما كبيرا في الدراسات الطبية التي تتناول، على سبيل المثال، فرز الجزيئات والخلايا باستخدام هيدروفوريسيس وفصل بلازما الدم، وإثراء خلايا الدم البيضاء عن طريق تطبيق رقائق موائع جزيئية مع قنوات ارتفاعات مختلفة أو أقسام هندسية6،7،،من89. هذا الفرز وفصل الوظائف ميكروفلويديكس للتطبيقات الطبية الحيوية تتحقق عن طريق تخصيص قنوات مع الأقسام الهندسية المختلفة. قد كرست عدة دراسات لتصنيع قنوات موائع جزيئية مع المقاطع العرضية لميزات هندسة مختلفة بتلفيق قوالب رئيسية مع الأنماط السطحية المحددة لمختلف ارتفاعات أو المقاطع العرضية غير مستطيلة. وتشمل هذه الدراسات في تصنيع العفن هذه التقنيات التصويرية خطوة متعددة، وانحسر مقاوم الضوء، والرمادي-مقياس الطباعة الحجرية13،،من1415. لا محالة، تشمل التقنيات الموجودة فوتوماسكس معدّة بدقة أو محاذاة دقيقة في عمليات التصنيع الخطوة المتعددة، التي قد تعزز إلى حد كبير مستويات التعقيد المطابق تلفيق القنوات موائع جزيئية. حتى الآن، قد بذلت محاولات عدة في عمليات التصنيع خطوة واحدة للقنوات موائع جزيئية من أقسام مختلفة، ولكن تقنيات كل منها مقيدة للغاية للأشكال مستعرضة محددة من قنوات16.
أصبحت قنوات موائع جزيئية مع مختلف الأقسام، النقش تقنيات الزخرفة قنوات PDMS مع ميزات هندسية، على مدى العقدين الماضيين، بالإضافة إلى النهج صب لاختلاق PDMS تلفيق الاختيار في مجموعة متنوعة من تطبيقات موائع جزيئية. على سبيل المثال، يتم استغلالها النقش الرطب PDMS جنبا إلى جنب مع PDMS متعدد الطبقات الرابطة لبناء جهاز هوائي خلية دفعتها ثقافة من ميكروفلويديكس مع وظائف الرئة مستوى الجهاز المعاد تشكيلها17. ويت PDMS النقش تقنية يعمل جنبا إلى جنب مع صب PDMS على ميكروويلس أسطواني تشكيلة من نظم التحكم بمساعدة الحاسوب لاختلاق 3D PDMS microneedle صفائف18. يستخدم النقش الجاف PDMS جعل PDMS المجهرية كأجزاء من المحركات الكهروميكانيكية الدقيقة19،20. مسامية أغشية PDMS مع تخطيطات المسام مصممة أيضا مصطنعة من خلال عمليات الحفر الجافة21. الرطب وتقنيات الحفر الجافة يمكن إدماج الزخرفة الأفلام PDMS مع الأشكال الهندسية المعينة22.
ومع ذلك، القناة تقنيات النقش لتشكيل PDMS الهياكل مع قسم المعقدة الأشكال لم تطبق عادة بسبب قصورها المتأصلة في تلفيق موائع جزيئية. أولاً، في حين تم إنشاء تقنيات النقش الرطب PDMS الاستفادة من تدفقات الصفحي للمواد الكيميائية لخلق قنوات موائع جزيئية من مختلف الأقسام، تشكيل قسم القناة اللاحقة لا يزال مقيداً بسبب الخصائص الأساسية من الخواص الكيميائية النقش عمليات23. وعلاوة على ذلك، على الرغم من أن هناك يبدو أن مساحة معقولة للتحكم في هندستها قسم القناة في تصنيع ميكروفلويديكس استخدام الجاف PDMS النقش تقنيات20، وقت النقش المطلوب عادة طويل جداً (من حيث ساعات) لتكون العملية لتصنيع رقائق موائع جزيئية. وباﻹضافة إلى ذلك، انتقاء النقش بين المواد PDMS وإخفاء المقابلة الطبقات مقاوم الضوء قد تكون منخفضة بصورة عامة، ووادي إلى أعماق محفوراً للقنوات ليست، وبالتالي، مقبولة20.
في هذه الورقة، نقوم بوضع نهجاً خطوة واحدة اختﻻق القنوات موائع جزيئية للمقاطع العرضية هندسية مختلفة بعمليات الحفر الرطب متسلسلة PDMS (يشار إليه فيما يلي سوب). سوب يبدأ مع جهاز موائع جزيئية PDMS مع قنوات طبقة واحدة. مع تصاميم متنوعة من القنوات، يمكن اختﻻق القنوات موائع جزيئية مع أقسام هندسية مختلفة لأنواع مختلفة من خلال عمليات الحفر متسلسلة. النقش متسلسلة يحتاج فقط مادة تنميش ستطرح على قنوات محددة من تخطيطات المخطط طبقة واحدة جزءا لا يتجزأ من مواد PDMS. مقارنة بعمليات تصنيع PDMS التقليدية، تتطلب سوب مجرد خطوة أخرى اختﻻق القنوات موائع جزيئية من المقاطع غير مستطيل أو ارتفاعات مختلفة. توفير سوب المقترحة بطريقة واضحة وبسيطة لاختلاق القنوات موائع جزيئية مع الأقسام المختلفة على طول اتجاه التدفق، التي يمكن إلى حد كبير تبسيط العمليات في الأساليب المذكورة أعلاه.
Protocol
Representative Results
Discussion
العقود الماضية، وقد عرضت ميكروفلويديكس الوسائل الواعدة التي يمكن أن تكون منصات التجريبية للبحوث الطبية البيولوجية والكيميائية التي شيدت بشكل منهجي،1،2،،من34 5. الأنظمة الأساسية قد قدمت أيضا قدراتها…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب الاعتراف بامتنان الدعم المقدم بالوطنية الصحية البحوث معاهد (المؤسسات الوطنية) في تايوان تحت منحة بحثية مبتكرة (أسندت) (EX106-10523EI) وتايوان وزارة العلوم والتكنولوجيا (الأكثر 104-2218-ه-032-004، 104-2221- E-001-015-MY3، 105-2221-E-001-002-MY2، 105-2221-ه-032-006، 106-2221-E-032-018-MY2)، وجائزة التنمية المهنية التابع سينيكا الأوساط الأكاديمية. المؤلف يود أن يشكر “هسو” هنغ هوا لتصحيح التجارب المطبعية المخطوط.
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).
