Conception et développement d’un adaptateur d’alignement de masque de microscope imprimé en trois dimensions pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches

Un domaine bien développé et prometteur dans la recherche en ingénierie est la microfabrication en raison de la vaste étendue des applications utilisant des plates-formes microfluidiques. La microfabrication est un processus dans lequel les structures sont produites avec des caractéristiques de taille μm ou plus petite en utilisant différents composés chimiques. Au fur et à mesure que la recherche microfluidique s’est développée au cours des 30 dernières années, la lithographie douce est devenue la technique de microfabrication la plus populaire pour produire des micropuces en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) ou des substances similaires. Ces micropuces ont été largement utilisées pour la miniaturisation des pratiques de laboratoire courantes^1,2,3,4 et sont devenues de puissants outils de recherche pour les ingénieurs pour imiter les processus de réaction^5,6,7, étudier les mécanismes de réaction et imiter les organes trouvés dans le corps humain in vitro (par exemple, organe sur puce)^8,9,10. Cependant, à mesure que la complexité de l’application augmente, il est typique qu’une conception de dispositif microfluidique plus complexe permette une meilleure réplication du système réel qu’il est destiné à imiter.

La procédure de lithographie douce de base consiste à recouvrir un substrat d’une substance photorésistante et à placer un photomasque sur le substrat revêtu avant de soumettre le substrat à la lumière UV¹¹. Le photomasque a des régions transparentes qui imitent le motif souhaité des canaux microfluidiques du dispositif. Lors de la mise en service du substrat revêtu à la lumière UV, les régions transparentes permettent à la lumière UV de pénétrer à travers le photomasque, ce qui provoque la réticulation de la résine photosensible. Après l’étape d’exposition, la photorésisse non réticulée est emportée à l’aide d’un révélateur, laissant des structures solides avec le motif prévu. À mesure que la complexité des dispositifs microfluidiques augmente, ils nécessitent une construction à plusieurs couches avec des dimensions extrêmement précises. Le processus de microfabrication multicouche est beaucoup plus difficile que la microfabrication monocouche.

La microfabrication multicouche nécessite un alignement précis des caractéristiques de la première couche avec les conceptions du deuxième masque. Normalement, ce processus est effectué à l’aide d’un aligneur de masque commercial, ce qui est coûteux et nécessite une formation pour faire fonctionner la machine. Ainsi, le processus de microfabrication multicouche est généralement inaccessible pour les petits laboratoires qui n’ont pas les fonds ou le temps nécessaires pour de telles entreprises. Alors que plusieurs autres aligneurs de masques sur mesure ont été développés, ces systèmes nécessitent souvent l’achat et l’assemblage de nombreuses pièces différentes et peuvent encore être assez complexes^12,13,14. Cela est non seulement coûteux pour les petits laboratoires, mais nécessite également du temps et de la formation pour construire, comprendre et utiliser le système. L’aligneur de masque détaillé dans ce document visait à atténuer ces problèmes car il n’est pas nécessaire d’acheter de l’équipement supplémentaire, nécessitant uniquement un équipement qui est généralement déjà présent dans les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. En outre, l’aligneur de masque est fabriqué par impression 3D, qui, avec les progrès récents de la technologie d’impression 3D, est devenue facilement disponible pour la plupart des laboratoires et des universités à un coût abordable.

Le protocole détaillé dans ce document vise à créer un aligneur de masque alternatif rentable et facile à utiliser. L’aligneur de masque détaillé ici peut rendre la microfabrication multicouche réalisable pour les laboratoires de recherche sans installations de fabrication conventionnelles. En utilisant l’adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA), des micropuces fonctionnelles aux caractéristiques complexes peuvent être obtenues à l’aide d’une source de lumière UV ordinaire, d’un microscope optique et d’un équipement de laboratoire commun. Les résultats montrent que le MMAA fonctionne bien avec un exemple de système utilisant un microscope vertical et une boîte d’exposition à la lumière UV. Le MMAA produit à l’aide du procédé d’impression 3D a été utilisé pour acquérir un moule maître bicouche d’un dispositif microfluidique à chevrons avec un minimum d’erreurs d’alignement. À l’aide du moule maître fabriqué avec un MMAA imprimé en 3D, des dispositifs microfluidiques ont été préparés avec des structures multicouches contenant des erreurs d’alignement de 10 μm <. L’erreur d’alignement de <10 μm est suffisamment minime pour ne pas entraver l’application du dispositif microfluidique.

En outre, l’alignement réussi d’un moule maître à quatre couches produit à l’aide du MMAA a été confirmé et les erreurs d’alignement ont été déterminées comme 10 μm <. La fonctionnalité du dispositif microfluidique et les erreurs d’alignement minimales valident l’application réussie du MMAA dans la création de dispositifs microfluidiques multicouches. Le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications mineures au fichier dans l’imprimante 3D. Le protocole suivant décrit les étapes nécessaires pour affiner le MMAA afin de l’adapter à l’équipement disponible dans chaque laboratoire et imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications requises. En outre, le protocole détaille comment développer un moule maître multicouche à l’aide du système et produire ensuite des dispositifs microfluidiques PDMS à l’aide du moule maître. La génération du moule maître et des puces microfluidiques permet ensuite à l’utilisateur de tester l’efficacité du système.