تصميم وتطوير محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد لتصنيع أجهزة Microfluidic متعددة الطبقات
Summary
يسمح هذا المشروع للمختبرات الصغيرة بتطوير منصة سهلة الاستخدام لتصنيع أجهزة دقيقة متعددة الطبقات ذات طبقات دقيقة. تتكون المنصة من محول محاذاة قناع مجهر مطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام أجهزة microfluidic متعددة الطبقات مع أخطاء محاذاة <10 ميكرومتر.
Abstract
يهدف هذا المشروع إلى تطوير منصة سهلة الاستخدام وفعالة من حيث التكلفة لتصنيع أجهزة دقيقة متعددة الطبقات ذات طبقات دقيقة ، والتي لا يمكن تحقيقها عادة إلا باستخدام معدات مكلفة في أجواء غرفة نظيفة. الجزء الرئيسي من المنصة هو محول محاذاة قناع المجهر المطبوع ثلاثي الأبعاد (MMAA) المتوافق مع المجاهر البصرية العادية وأنظمة التعرض للأشعة فوق البنفسجية (UV). وقد تم تبسيط العملية الشاملة لإنشاء الجهاز إلى حد كبير بسبب العمل المنجز لتحسين تصميم الجهاز. وتنطوي العملية على إيجاد الأبعاد المناسبة للمعدات المتاحة في المختبر وطباعة 3D MMAA مع المواصفات الأمثل. تظهر النتائج التجريبية أن MMAA الأمثل المصممة والمصنعة من قبل الطباعة ثلاثية الأبعاد تؤدي بشكل جيد مع المجهر المشترك ونظام التعرض للضوء. باستخدام قالب رئيسي أعده MMAA المطبوع ثلاثي الأبعاد ، تحتوي الأجهزة الدقيقة الناتجة ذات الهياكل متعددة الطبقات على أخطاء محاذاة تبلغ 10 ميكرومترات < ، وهو ما يكفي للرقائق الدقيقة الشائعة. على الرغم من أن الخطأ البشري من خلال نقل الجهاز إلى نظام التعرض للأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يسبب أخطاء أكبر في التصنيع ، فإن الحد الأدنى من الأخطاء التي تحققت في هذه الدراسة يمكن تحقيقها مع الممارسة والرعاية. وعلاوة على ذلك، يمكن تخصيص MMAA لتناسب أي المجهر والأشعة فوق البنفسجية نظام التعرض عن طريق إجراء تغييرات على ملف النمذجة في نظام الطباعة 3D. ويوفر هذا المشروع للمختبرات الصغيرة أداة بحثية مفيدة لأنه لا يتطلب سوى استخدام معدات متاحة بالفعل عادة للمختبرات التي تنتج وتستخدم أجهزة ميكروفلويد. يحدد البروتوكول التفصيلي التالي عملية التصميم والطباعة ثلاثية الأبعاد ل MMAA. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الخطوات لشراء قالب رئيسي متعدد الطبقات باستخدام MMAA وإنتاج رقائق متعددة (dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic هو أيضا وصف هنا.
Introduction
مجال متطور وواعد في البحوث الهندسية هو التصنيع الدقيق بسبب المساحة الشاسعة من التطبيقات التي تستخدم منصات microfluidic. التصنيع الدقيق هو عملية حيث يتم إنتاج الهياكل مع ميزات μm- أو أصغر الحجم باستخدام مركبات كيميائية مختلفة. كما تطورت البحوث microfluidic على مدى السنوات ال 30 الماضية، أصبحت الطباعة الحجرية الناعمة تقنية التصنيع الدقيق الأكثر شعبية التي لإنتاج رقائق مصنوعة من البولي (ثنائي ميثيلسيل أوكسان) (PDMS) أو مواد مماثلة. وقد استخدمت هذه الرقائق على نطاق واسع لتصغير الممارسات المختبرية الشائعة1،2،3،4 وأصبحت أدوات بحثية قوية للمهندسين لمحاكاة عمليات التفاعل5،6،7، آليات رد فعل الدراسة ، وتقليد الأعضاء الموجودة في جسم الإنسان في المختبر (على سبيل المثال ، الجهاز على رقاقة)8و9و10. ومع ذلك ، مع زيادة تعقيد التطبيق ، فمن المعتاد أن تصميم جهاز microfluidic أكثر تعقيدا يسمح بتكرار أفضل لنظام الحياة الحقيقية الذي يهدف إلى تقليده.
يتضمن إجراء الطباعة الحجرية الناعمة الأساسية طلاء الركيزة بمادة مضادة للضوء ووضع قناع ضوئي فوق الركيزة المغلفة قبل إخضاع الركيزة للأشعة فوق البنفسجية11. تحتوي قناع الصورة على مناطق شفافة تحاكي النمط المطلوب لقنوات الأجهزة الدقيقة. عند إخضاع الركيزة المغلفة للأشعة فوق البنفسجية ، تسمح المناطق الشفافة للضوء الأشعة فوق البنفسجية بالاختراق من خلال قناع ضوئي ، مما يؤدي إلى ربط الممتص الضوئي. بعد خطوة التعرض ، يتم غسلها من قبل un-crosslinked photoresist بعيدا باستخدام المطور ، وترك هياكل صلبة مع النمط المقصود. كما تعقيد الأجهزة microfluidic يصبح أكبر، فإنها تتطلب بناء متعدد الطبقات مع أبعاد دقيقة للغاية. عملية التصنيع المجهري متعدد الطبقات أصعب بكثير مقارنة بالتحضير الدقيق من طبقة واحدة.
يتطلب التصنيع المجهري متعدد الطبقات محاذاة دقيقة لميزات الطبقة الأولى مع التصاميم على القناع الثاني. عادة، يتم تنفيذ هذه العملية باستخدام قناع المحاذاة التجارية، والتي هي مكلفة ويتطلب التدريب لتشغيل الآلات. وهكذا، فإن عملية التصنيع المجهري متعدد الطبقات عادة ما تكون بعيدة المنال بالنسبة للمختبرات الصغيرة التي تفتقر إلى الأموال أو الوقت لمثل هذه المساعي. في حين تم تطوير العديد من أجهزة محاذاة القناع الأخرى المصممة خصيصا ، فإن هذه الأنظمة غالبا ما تتطلب شراء وتجميع أجزاء مختلفة كثيرة ويمكن أن تكون معقدة جدا12و13و14. وهذا ليس مكلفا للمختبرات الصغيرة فحسب، بل يتطلب أيضا وقتا وتدريبا لبناء النظام وفهمه واستخدامه. وسعى جهاز محاذاة القناع المفصل في هذه الورقة إلى التخفيف من حدة هذه المسائل حيث لا حاجة لشراء معدات إضافية، ولا يتطلب سوى معدات موجودة بالفعل عادة في المختبرات التي تنتج وتستخدم أجهزة ميكروفلويديك. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيع جهاز محاذاة القناع من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي مع التقدم الأخير لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أصبحت متاحة بسهولة لمعظم المختبرات والجامعات بتكلفة معقولة.
يهدف البروتوكول المفصل في هذه الورقة إلى إنشاء جهاز محاذاة أقنعة بديل فعال من حيث التكلفة وسهل التشغيل. يمكن لمصفف القناع المفصل هنا أن يجعل التصنيع المجهري متعدد الطبقات ممكنا لمختبرات الأبحاث دون مرافق التصنيع التقليدية. باستخدام محول محاذاة قناع المجهر (MMAA) ، يمكن تحقيق الرقائق الدقيقة الوظيفية ذات الميزات المعقدة باستخدام مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية العادي والمجهر البصري ومعدات المختبر الشائعة. تظهر النتائج أن MMAA يؤدي بشكل جيد مع نظام مثال باستخدام المجهر المستقيم وصندوق التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تم استخدام MMAA المنتجة باستخدام عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للحصول على قالب رئيسي ثنائي الطبقة لجهاز microfluidic الرنجة مع الحد الأدنى من أخطاء المحاذاة. باستخدام القالب الرئيسي المصنعة مع MMAA المطبوعة 3D، تم إعداد أجهزة microfluidic مع هياكل متعددة الطبقات التي تحتوي على أخطاء محاذاة من <10 ميكرومتر. خطأ المحاذاة من <10 ميكرومتر هو الحد الأدنى بما يكفي لعدم عرقلة تطبيق الجهاز microfluidic.
بالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد المحاذاة الناجحة لقالب رئيسي من أربع طبقات تم إنتاجه باستخدام MMAA، وتم تحديد أخطاء المحاذاة لتكون <10 ميكرومتر. وظيفة الجهاز microfluidic والحد الأدنى من أخطاء المحاذاة التحقق من صحة التطبيق الناجح لMMAA في إنشاء أجهزة microfluidic متعدد الطبقات. يمكن تخصيص نظام MMAA ليناسب أي نظام للتعرض للمجهر والأشعة فوق البنفسجية عن طريق إجراء تغييرات طفيفة على الملف في الطابعة ثلاثية الأبعاد. يحدد البروتوكول التالي الخطوات اللازمة لضبط MMAA لتناسب المعدات المتاحة في كل مختبر وطباعة 3D MMAA مع المواصفات المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يفصل البروتوكول كيفية تطوير قالب رئيسي متعدد الطبقات باستخدام النظام ثم إنتاج أجهزة PDMS microfluidic باستخدام القالب الرئيسي. جيل من العفن الرئيسي ورقائق microfluidic ثم يسمح للمستخدم لاختبار فعالية النظام.
Protocol
Representative Results
Discussion
يحدد البروتوكول المذكور أعلاه الإجراء الخاص بطباعة 3D ل MMAA واستخدام النظام لإنشاء قالب رئيسي دقيق ومتعدد الطبقات وميكروفلويديك للجهاز. على الرغم من أن الجهاز سهل الاستخدام ، إلا أن هناك خطوات حاسمة داخل البروتوكول تتطلب الممارسة والرعاية لضمان المحاذاة المناسبة لطبقات العفن الرئيسية. ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يعترفوا بمركز التجارب الجامعية التحويلية من جامعة تكساس للتكنولوجيا لتوفيره التمويل لهذا المشروع. كما يود المؤلفون الاعتراف بدعم قسم الهندسة الكيميائية في جامعة تكساس للتكنولوجيا.
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)
