Проектирование и разработка адаптера выравнивания масок трехмерно-печатного микроскопа для изготовления многослойных микрофлюидных устройств

Хорошо развитой и перспективной областью инженерных исследований является микропроизводствование из-за огромного пространства приложений, использующих микрофлюидные платформы. Микрофабрикация – это процесс, в котором структуры производятся с мкм- или меньшими размерами с использованием различных химических соединений. Поскольку микрофлюидные исследования развивались в течение последних 30 лет, мягкая литография стала наиболее популярным методом микропроизводство, с помощью которого можно производить микрочипы из поли(диметилсилоксана) (PDMS) или аналогичных веществ. Эти микрочипы широко использовались для миниатюризации распространенных лабораторных практик^{1,2,3, 4} и стали мощными исследовательскими инструментами для инженеров для имитации реакционных процессов^5,6,7,изучения механизмов реакций и мимических органов, обнаруженных в организме человека in vitro (например, орган-на-чипе)^8,9,10. Однако по мере увеличения сложности приложения характерно, что более сложная конструкция микрофлюидного устройства позволяет лучше тиражировать реальную систему, которую оно призвано имитировать.

Основная процедура мягкой литографии включает в себя покрытие подложки фоторезистентным веществом и размещение фотомаски над покрытой подложкой перед подвергнутием подложку ультрафиолетовому излучению^11. Фотомада имеет прозрачные области, которые имитируют желаемый рисунок каналов микрофлюидного устройства. При воздействии на подложку с покрытием ультрафиолетового света прозрачные области позволяют ультрафиолетовому свету проникать через фотомаску, в результате чего фоторезист сшивается. После этапа экспозиции несшитый фоторезист смывается с помощью разработчика, оставляя твердые структуры с предполагаемым рисунком. По мере того, как сложность микрофлюидных устройств становится все больше, они требуют многослойной конструкции с чрезвычайно точными размерами. Процесс многослойного микрофабрикации намного сложнее по сравнению с однослойным микропроизводствием.

Многослойное микрофабрикация требует точного выравнивания признаков первого слоя с рисунками на второй маске. Как правило, этот процесс выполняется с использованием коммерческого элайнера для масок, который является дорогостоящим и требует обучения для работы с оборудованием. Таким образом, процесс многослойного микропроизводства, как правило, недостижим для небольших лабораторий, которым не хватает средств или времени для таких усилий. В то время как было разработано несколько других изготовленных на заказ элайнеров для масок, эти системы часто требуют покупки и сборки множества различных деталей и все еще могут быть довольно^{сложными 12,13,14.} Это не только дорого для небольших лабораторий, но и требует времени и обучения для создания, понимания и использования системы. Элайнер для масок, подробно описанный в этой статье, стремился смягчить эти проблемы, поскольку нет необходимости в покупке дополнительного оборудования, требуется только оборудование, которое обычно уже присутствует в лабораториях, производящих и использующих микрофлюидные устройства. Кроме того, выравниватель масок изготавливается с помощью 3D-печати, которая с недавним развитием технологии 3D-печати стала легко доступной для большинства лабораторий и университетов по доступной цене.

Протокол, подробно описанный в этой статье, направлен на создание экономически эффективного и простого в эксплуатации альтернативного элайнера масок. Маскировочный элайнер, описанный в настоящем описании, может сделать многослойное микропроизводственное производство возможным для исследовательских лабораторий без обычных производственных средств. Используя адаптер выравнивания масок микроскопа (MMAA), функциональные микрочипы со сложными функциями могут быть достигнуты с использованием обычного источника ультрафиолетового света, оптического микроскопа и общего лабораторного оборудования. Результаты показывают, что MMAA хорошо работает с примером системы, использующего вертикальный микроскоп и блок воздействия ультрафиолетового света. MMAA, изготовленный с использованием процесса 3D-печати, был использован для получения двухслойной главной формы микрофлюидного устройства елочкой с минимальными ошибками выравнивания. С помощью мастер-формы, изготовленной с помощью 3D-печатной MMAA, микрофлюидные устройства были подготовлены с многослойными структурами, содержащими ошибки выравнивания <10 мкм. Погрешность выравнивания <10 мкм достаточно минимальна, чтобы не препятствовать применению микрофлюидного устройства.

Кроме того, было подтверждено успешное выравнивание четырехслойной мастер-формы, изготовленной с использованием MMAA, и были определены ошибки выравнивания <10 мкм. Функциональность микрофлюидного устройства и минимальные ошибки выравнивания подтверждают успешное применение MMAA при создании многослойных микрофлюидных устройств. MMAA может быть настроен для любого микроскопа и системы воздействия ультрафиолета, внеся незначительные изменения в файл на 3D-принтере. В следующем протоколе описываются шаги, необходимые для тонкой настройки MMAA в соответствии с оборудованием, доступным в каждой лаборатории, и 3D-печати MMAA с требуемыми спецификациями. Кроме того, в протоколе подробно описывается, как разработать многослойную мастер-форму с использованием системы и впоследствии производить микрофлюидные устройства PDMS с использованием мастер-формы. Генерация мастер-формы и микрофлюидных чипов затем позволяет пользователю проверить эффективность системы.