Ontwerp en ontwikkeling van een driedimensionaal gedrukte microscoopmaskeruitlijnadapter voor de fabricage van meerlaagse microfluïdische apparaten

Een goed ontwikkeld en veelbelovend gebied in technisch onderzoek is microfabrication vanwege de enorme uitgestrektheid van toepassingen met microfluïdische platforms. Microfabrication is een proces waarbij structuren worden geproduceerd met μm- of kleinere kenmerken met behulp van verschillende chemische verbindingen. Naarmate microfluïdisch onderzoek zich in de afgelopen 30 jaar heeft ontwikkeld, is zachte lithografie de meest populaire microfabrication-techniek geworden waarmee microchips kunnen worden gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) of soortgelijke stoffen. Deze microchips zijn op grote schaal gebruikt voor de miniaturisatie van gemeenschappelijke laboratoriumpraktijken^1,2,3,4 en zijn krachtige onderzoeksinstrumenten geworden voor ingenieurs om reactieprocessen na te bootsen^5,6,7, studiereactiemechanismen en organen na te bootsen die in vitro in het menselijk lichaam zijn gevonden (bijv. orgaan-op-een-chip)^8,9,10. Naarmate de complexiteit van de toepassing toeneemt, is het echter typisch dat een complexer microfluïdisch apparaatontwerp een betere replicatie mogelijk maakt van het real-life systeem dat het moet imiteren.

De basisprocedure voor zachte lithografie omvat het coaten van een substraat met een fotoresistische stof en het plaatsen van een fotomasker over het gecoate substraat voordat het substraat wordt onderworpen aan UV-licht¹¹. Het fotomasker heeft transparante gebieden die het gewenste patroon van de microfluïdische apparaatkanalen nabootsen. Bij het onderwerpen van het gecoate substraat aan UV-licht, laten de transparante gebieden het UV-licht door het fotomasker dringen, waardoor de fotoresist wordt gekruist. Na de belichtingsstap wordt de niet-gekruiste fotoresist weggespoeld met behulp van een ontwikkelaar, waardoor solide structuren achterblijven bij het beoogde patroon. Naarmate de complexiteit van de microfluïdische apparaten groter wordt, vereisen ze een meerlaagse constructie met uiterst nauwkeurige afmetingen. Het proces van meerlaagse microfabsoenatie is veel moeilijker in vergelijking met eenlaagse microfabation.

Meerlaagse microfabrication vereist een nauwkeurige uitlijning van de kenmerken van de eerste laag met de ontwerpen op het tweede masker. Normaal gesproken wordt dit proces uitgevoerd met behulp van een commerciële maskeruitlijner, die duur is en training vereist om de machines te bedienen. Het proces van meerlaagse microfabrication is dus meestal onbereikbaar voor kleinere laboratoria die de fondsen of tijd voor dergelijke inspanningen missen. Hoewel verschillende andere op maat gemaakte maskeruitlijners zijn ontwikkeld, vereisen deze systemen vaak de aankoop en assemblage van veel verschillende onderdelen en kunnen ze nog steeds vrij complex zijn^12,13,14. Dit is niet alleen duur voor kleinere laboratoria, maar vereist ook tijd en training om het systeem te bouwen, te begrijpen en te gebruiken. De maskeruitlijner die in dit document wordt beschreven, probeerde deze problemen te verlichten, omdat er geen behoefte is aan de aankoop van extra apparatuur, waarvoor alleen apparatuur nodig is die meestal al aanwezig is in laboratoria die microfluïdische apparaten produceren en gebruiken. Bovendien wordt de maskeruitlijner vervaardigd door 3D-printen, dat met de recente vooruitgang van 3D-printtechnologie gemakkelijk beschikbaar is geworden voor de meeste laboratoria en universiteiten tegen betaalbare kosten.

Het protocol dat in dit document wordt beschreven, is bedoeld om een kosteneffectieve en eenvoudig te bedienen alternatieve maskeruitlijner te creëren. De maskeruitlijner die hierin wordt beschreven, kan meerlaagse microfabrication haalbaar maken voor onderzoekslaboratoria zonder conventionele fabricagefaciliteiten. Met behulp van de microscope mask alignment adapter (MMAA) kunnen functionele microchips met complexe functies worden bereikt met behulp van een gewone UV-lichtbron, optische microscoop en gemeenschappelijke laboratoriumapparatuur. De resultaten laten zien dat de MMAA goed presteert met een voorbeeldsysteem met behulp van een rechtopstaande microscoop en een UV-lichtbelichtingsbox. De MMAA geproduceerd met behulp van het 3D-printproces werd gebruikt om een tweelaagse mastervorm van een visgraatmicrofluïdisch apparaat te verkrijgen met minimale uitlijningsfouten. Met behulp van de master mal vervaardigd met een 3D-geprinte MMAA, werden microfluïdische apparaten bereid met meerlagige structuren met uitlijningsfouten van < 10 μm. De uitlijningsfout van <10 μm is minimaal genoeg om de toepassing van het microfluïdische apparaat niet te belemmeren.

Bovendien werd de succesvolle uitlijning van een vierlaagse master mold geproduceerd met behulp van de MMAA bevestigd en werden uitlijningsfouten vastgesteld op < 10 μm. De functionaliteit van het microfluïdische apparaat en minimale uitlijningsfouten valideren de succesvolle toepassing van de MMAA bij het maken van meerlaagse microfluïdische apparaten. De MMAA kan worden aangepast aan elke microscoop en UV-belichtingssysteem door kleine wijzigingen aan te brengen in het bestand in de 3D-printer. Het volgende protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om de MMAA af te stemmen op de beschikbare apparatuur in elk laboratorium en de MMAA 3D-print met de vereiste specificaties. Bovendien beschrijft het protocol hoe u een meerlaagse mastermammel kunt ontwikkelen met behulp van het systeem en vervolgens PDMS-microfluïdische apparaten kunt produceren met behulp van de master mold. Het genereren van de master mold en microfluïdische chips stelt de gebruiker vervolgens in staat om de effectiviteit van het systeem te testen.