Progettazione e sviluppo di un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente per la fabbricazione di dispositivi microfluidici multistrato

Un campo ben sviluppato e promettente nella ricerca ingegneristica è la microfabbricazione a causa della vasta distesa di applicazioni che impiegano piattaforme microfluidiche. La microfabbricazione è un processo in cui le strutture sono prodotte con caratteristiche di dimensioni μm o più piccole utilizzando diversi composti chimici. Poiché la ricerca microfluidica si è sviluppata negli ultimi 30 anni, la litografia morbida è diventata la tecnica di microfabbricazione più popolare con cui produrre microchip a base di poli(dimetilsilossano) (PDMS) o sostanze simili. Questi microchip sono stati ampiamente utilizzati per la miniaturizzazione delle comuni pratiche di laboratorio^1,2,3,4 e sono diventati potenti strumenti di ricerca per gli ingegneri per imitare i processi di^{reazione 5,6,7,}studiare i meccanismi di reazione e imitare gli organi presenti nel corpo umano in vitro (ad esempio, organ-on-a-chip)^8,9,10. Tuttavia, con l’aumentare della complessità dell’applicazione, è tipico che un design del dispositivo microfluidico più complesso consenta una migliore replica del sistema reale che si intende imitare.

La procedura di base della litografia morbida prevede il rivestimento di un substrato con una sostanza fotoresistente e il posizionamento di una fotomaschera sul substrato rivestito prima di sottoporre il substrato alla luce UV¹¹. La fotomaschera ha regioni trasparenti che imitano il modello desiderato dei canali del dispositivo microfluidico. Quando si sottopone il substrato rivestito alla luce UV, le regioni trasparenti consentono alla luce UV di penetrare attraverso la fotomaschera, causando la reticolazione del fotoresiste. Dopo la fase di esposizione, il fotoresist non reticolato viene lavato via usando uno sviluppatore, lasciando strutture solide con il modello previsto. Man mano che la complessità dei dispositivi microfluidici diventa maggiore, richiedono una costruzione a più strati con dimensioni estremamente precise. Il processo di microfabbricazione multistrato è molto più difficile rispetto alla microfabbricazione a strato singolo.

La microfabbricazione multistrato richiede un allineamento preciso delle caratteristiche del primo strato con i disegni sulla seconda maschera. Normalmente, questo processo viene eseguito utilizzando un allineatore di maschere commerciale, che è costoso e richiede una formazione per far funzionare il macchinario. Pertanto, il processo di microfabbricazione multistrato è in genere irraggiungibile per i laboratori più piccoli che non hanno i fondi o il tempo per tali sforzi. Mentre sono stati sviluppati molti altri allineatori di maschere costruiti su misura, questi sistemi spesso richiedono l’acquisto e l’assemblaggio di molte parti diverse e possono ancora essere piuttosto complessi^12,13,14. Questo non è solo costoso per i laboratori più piccoli, ma richiede anche tempo e formazione per costruire, comprendere e utilizzare il sistema. L’allineatore di maschere dettagliato in questo documento ha cercato di alleviare questi problemi in quanto non è necessario l’acquisto di attrezzature aggiuntive, richiedendo solo attrezzature che sono tipicamente già presenti nei laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Inoltre, l’allineatore di maschere è fabbricato dalla stampa 3D, che con il recente progresso della tecnologia di stampa 3D, è diventata prontamente disponibile per la maggior parte dei laboratori e delle università a un costo accessibile.

Il protocollo dettagliato in questo documento mira a creare un allineatore di maschere alternativo economico e facile da utilizzare. L’allineatore di maschere qui descritto può rendere fattibile la microfabbricazione multistrato per i laboratori di ricerca senza strutture di fabbricazione convenzionali. Utilizzando l’adattatore di allineamento della maschera del microscopio (MMAA), è possibile ottenere microchip funzionali con caratteristiche complesse utilizzando una normale sorgente di luce UV, un microscopio ottico e attrezzature di laboratorio comuni. I risultati mostrano che l’MMAA funziona bene con un sistema di esempio che utilizza un microscopio verticale e una scatola di esposizione alla luce UV. L’MMAA prodotto utilizzando il processo di stampa 3D è stato utilizzato per acquisire uno stampo master a doppio strato di un dispositivo microfluidico a spina di pesce con errori di allineamento minimi. Utilizzando lo stampo master fabbricato con un MMAA stampato in 3D, sono stati preparati dispositivi microfluidici con strutture multistrato contenenti errori di allineamento di < 10 μm. L'errore di allineamento di <10 μm è abbastanza minimo da non ostacolare l'applicazione del dispositivo microfluidico.

Inoltre, è stato confermato il successo dell’allineamento di uno stampo master a quattro strati prodotto utilizzando l’MMAA e gli errori di allineamento sono stati determinati < 10 μm. La funzionalità del dispositivo microfluidico e gli errori di allineamento minimi convalidano l'applicazione di successo dell'MMAA nella creazione di dispositivi microfluidici multistrato. L'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando piccole modifiche al file nella stampante 3D. Il seguente protocollo delinea i passaggi necessari per mettere a punto l'MMAA per adattare le apparecchiature disponibili in ciascun laboratorio e stampare in 3D l'MMAA con le specifiche richieste. Inoltre, il protocollo descrive in dettaglio come sviluppare uno stampo master multistrato utilizzando il sistema e successivamente produrre dispositivi microfluidici PDMS utilizzando lo stampo master. La generazione dello stampo master e dei chip microfluidici consente quindi all'utente di testare l'efficacia del sistema.