Polydimethylsiloxane mikrosıvısal kanalları sıralı ıslak gravür işlemler tarafından farklı geometrik bölümlerin imalatı tek adımlı yaklaşım
Summary
Kanalları polydimethylsiloxane mikrosıvısal aygıt içinde gömülü dikdörtgen olmayan bölümlerin imalatı için çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bunların çoğu multistep üretim ve geniş hizalama içerir. Bu yazıda, bir tek adımlı yaklaşım farklı geometrik kesitleri mikrosıvısal kanal imalatı için polydimethylsiloxane sıralı ıslak gravür tarafından bildirilmektedir.
Abstract
POLYDİMETHYLSİLOXANE (PDMS) malzemeler yumuşak litografi yineleme döküm teknikleri kullanarak mikrosıvısal cihazları imal etmek önemli ölçüde istismar değildir. Özelleştirilmiş kanal düzeni tasarımlar belirli işlevleri ve çok sayıda biyomedikal ve kimyasal uygulamalar (Örneğin, hücre kültürü, biosensing, kimyasal sentez ve sıvı işleme) mikrosıvısal cihazların entegre performans için gereklidir. Fotorezist katmanlarla tarafından fotolitografi ana kalıpları desenli silikon gofret kullanarak yaklaşımlar kalıplama doğası nedeniyle, mikrosıvısal kanalları genellikle düzenli kesitleri aynı yükseklikleri ile dikdörtgen şekiller var. Genellikle, birden çok yüksekten veya farklı geometrik bölümleri ile kanalları belirli işlevleri sahip olmak ve çeşitli mikrosıvısal uygulamaları gerçekleştirmek için tasarlanmıştır (Örneğin, hydrophoresis kullanılan parçacıklar sıralama ve sürekli akışları için «««ayıran) kan hücreleri6,7,8,9. Bu nedenle, büyük bir çaba birkaç fotorezist katmanları ve farklı PDMS Meclisi kullanarak fotolitografi yaprak ince gibi kanalları çok adımlı yaklaşım yoluyla çeşitli bölümleri ile inşa içinde yapılmıştır. Yine de, böyle çok adımlı yaklaşımlar genellikle sıkıcı yordamlar ve geniş araçları içerir. Ayrıca, uydurma cihazlar sürekli olarak gerçekleştirebilir değil ve sonuçlandı deneysel veriler öngörülemeyen olabilir. Burada, bir tek adımlı yaklaşım etchant planlı tek katmanlı düzenleri kanallarına tanıttı basit fabrikasyon mikrosıvısal kanal PDMS sıralı ıslak gravür süreçlerle farklı geometrik kesitleri ile geliştirilmiştir PDMS malzemelerinde gömülü. PDMS mikrosıvısal kanalları ile farklı geometriler üretimi için varolan yöntemleri ile karşılaştırıldığında, geliştirilmiş tek adımlı yaklaşım kanalları dikdörtgen olmayan bölümleri veya çeşitli yükseklikleri ile imal etmek işlemini önemli ölçüde basitleştirmek. Sonuç olarak, teknik yenilikçi mikrosıvısal sistemleri ilerlemesi için bir imalat çözümü sağlayan karmaşık mikrosıvısal kanalları, inşa bir yoludur.
Introduction
Mikrosıvısal teknikleri çizilmiş dikkat son on yıl içinde nedeniyle çeşitli kimyasal ve Biyomedikal araştırma ve uygulamaları için kendi içsel avantajları var. Günümüzde, polimerler, seramik ve silikon malzemeleri gibi mikrosıvısal çip oluşturmak için birkaç malzeme kullanımı seçenekleri kullanılabilir. Mikrosıvısal malzemeleri arasında bizim bilgimize için PDMS çeşitli Havacilik araştırma ve uygulamalar parçacıkları ile onun optik ve biyolojik uyumlulukları dahil olmak üzere, uygun malzeme özellikleri nedeniyle en yaygın olanıdır, sıvı ve son derece küçük canlıların1,2,3,4,5. Ayrıca, PDMS malzemelerin yüzey kimyasal ve yapısı mekanik özelliklerini Mikroelektromekanik ve mechanobiological çalışmaları böyle mikrosıvısal polimer tabanlı cihazlar10, uygulayarak kolaylaştırmak için ayarlanabilir 11,12. Mikrosıvısal aygıtları tasarlanmış kanal desenleri ile üretim ile ilgili olarak, yumuşak litografi yineleme döküm yöntemleri genellikle oluşur kendi karşılık gelen ana kalıpları kullanarak mikrosıvısal kanalları oluşturmak için uygulanır fotolitografi desenli fotorezist katmanları ve silikon gofret yüzeylerde12. Silikon gofret desenli fotorezist katmanları ile kullanma yaklaşımlar kalıplama doğası nedeniyle, mikrosıvısal kanalları genellikle düzenli kesitleri aynı yükseklikleri ile dikdörtgen şekiller var.
Son zamanlarda, araştırmacılar, örneğin baş Biyomedikal araştırmalar, sıralama parçacıklar ve hydrophoresis kullanarak, kan plazması ayıran ve beyaz kan hücreleri mikrosıvısal çip kanal uygulayarak zenginleştirici hücreleri önemli bir ilerleme yaptık farklı yükseklikte veya geometrik bölümleri6,7,8,9. Bu sıralama ve havacilik biyomedikal uygulamalar için fonksiyonları ayıran kanalları farklı geometrik bölümleri ile özelleştirme tarafından gerçekleştirilmektedir. Çeşitli çalışmalarda mikrosıvısal kanalları imalatında kesitleri farklı geometri özellikleri ile için çeşitli yükseklikte veya dikdörtgen olmayan kesit belirli yüzey desenleri ile ana kalıpları imalatı tarafından tahsis edilmiştir. Kalıp imalat bu çalışmalar çok adım fotolitografi, fotorezist yeniden akıtma ve gri ölçekli litografi13,14,15bu tür teknikler içerir. Kaçınılmaz olarak, varolan teknikleri ince hazırlanmış photomasks veya hassas bir uyum içinde karşılık gelen fabrikasyon mikrosıvısal kanal karmaşıklık düzeyi önemli ölçüde artırabilir çok adımlı üretim süreçleri içerir. Şimdiye kadar birkaç denemeden tek adım üretim süreçleri mikrosıvısal kanallar çeşitli bölümler için yapılmış ancak ilgili teknikleri son derece belirli kesitsel kanal16şekillere kısıtlanır.
Son iki yılda PDMS imalatı için kalıplama yaklaşımlar yanı sıra mikrosıvısal kanalları çeşitli bölümleri, PDMS kanalları ile geometrik şekil desenlendirme tekniklerini aşındırma ile seçim çeşitli imalatı olmuştur mikrosıvısal uygulamaları. Örneğin, PDMS ıslak gravür çok katmanlı PDMS Havacilik Sulandırılan organ düzeyinde akciğer fonksiyonları17ile Pnömatik Aktuatörlü hücre kültür cihazın oluşturmak için bağ birlikte istismar edilir. Aşındırma tekniği PDMS ıslak PDMS döküm silindirik microwells 3D PDMS microneedle diziler18imalatı için bilgisayar destekli kontrol sistemleri tarafından işlenmiş üzerinde birlikte istihdam edilmektedir. PDMS kuru gravür PDMS microstructures mikro elektromekanik aktüatörler19,20parça yapmak için kullanılır. Gözenekli PDMS Membranlar ile tasarlanmış gözenek düzenleri de kuru gravür işlemleri21‘ den imal edilmiştir. Hem ıslak hem de kuru gravür teknikleri PDMS filmleri belirlenen geometrik şekiller22ile biçimlenme içine entegre edilebilir.
Ancak, PDMS şekillendirme için oyma teknikleri yapıları şekiller sık mikrosıvısal imalat iç onların sınırlamalar nedeniyle uygulanmadı karmaşık bölümüyle kanal. Laminer akımları çeşitli bölümlerin mikrosıvısal kanalları oluşturmak için kimyasal kullanan PDMS ıslak gravür teknikleri kurduk, ilk olarak, sonraki kanal bölümü oluşumu temel özellikleri nedeniyle hala sınırlı iken izotropik kimyasal aşındırma23işler. Gibi görünüyor bile kanal bölümü geometrileri teknikleri20aşındırma PDMS kuru kullanarak Havacilik uydurma içinde kontrol etmek için makul boş alanı Ayrıca, gerekli gravür zaman genellikle olmak (saat açısından) çok uzun olsa da, mikrosıvısal çip üretimi için pratik. Buna ek olarak, gravür seçicilik PDMS malzeme ve karşılık gelen maskeleme arasında içinde fotorezist katmanları genel olarak düşük olabilir, ve sonuçlandı kazınmış denizin kanallar için böylece, kabul edilebilir20değildir.
Bu yazıda, farklı geometrik kesitleri kanallarının mikrosıvısal PDMS sıralı ıslak gravür işlemler (bundan sonra SWEP anılacaktır) tarafından imal etmek bir tek adımlı yaklaşım geliştirmek. SWEP PDMS mikrosıvısal aygıtı tek katmanlı kanalları ile başlar. Kanallar çeşitli düzen tasarımlarıyla mikrosıvısal kanalları çeşitli farklı geometrik bölümleri ile imalatı sıralı oyma işlemleri elde edilebilir. Sıralı gravür PDMS malzemelerinde gömülü planlı tek katmanlı düzenlerden belirli kanalları içine tanıştırmak için bir etchant yeterlidir. Geleneksel PDMS imalat işlemleri için karşılaştırıldığında, SWEP gerektiren sadece mikrosıvısal kanalının bir dikdörtgen olmayan bölümler imal etmek bir adım veya çeşitli yükseklikleri. Önerilen SWEP mikrosıvısal kanalları çeşitli bölümleri boyunca söz konusu yöntemleri süreçlerinde önemli ölçüde basitleştirebilir akış yönü ile imalatı, doğrudan ve basit bir yol sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geçtiğimiz on yıl içinde hangi-ebilmek var olmak deneysel platformlar kimyasal ve Biyomedikal araştırma için umut verici anlamına gelir, sistematik olarak1,2,3,4inşa Havacilik teklif etti, 5. Platformlar da çeşitli hücresel işlevler içinde vivo vitro hücre çalışmaları6,7…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, minnetle tarafından Ulusal Sağlık Araştırma Enstitüleri (NHRI) Tayvan yenilikçi araştırma hibe (IRG) (EX106-10523EI), Tayvan Bakanlığı Bilim ve teknoloji altında sağlanan destek kabul (en 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) ve Academia Sinica kariyer geliştirme Ödülü. Yazarlar Heng-Hua Hsu el yazması proofreading için teşekkür etmek istiyorum.
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).
