Design e desenvolvimento de um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas

Um campo bem desenvolvido e promissor em pesquisa de engenharia é a microfabidade devido à vasta extensão de aplicações que empregam plataformas microfluídicas. Microfabricação é um processo em que estruturas são produzidas com características de μm ou tamanho menor usando diferentes compostos químicos. Como a pesquisa microfluida se desenvolveu nos últimos 30 anos, a litografia macia tornou-se a técnica de microfabbricação mais popular com a qual produzir microchips feitos de poli (dimetilsiloxano) (PDMS) ou substâncias similares. Esses microchips têm sido amplamente utilizados para a miniaturização de práticas laboratoriais comuns^1,2,3,4 e tornaram-se poderosas ferramentas de pesquisa para os engenheiros imitarem processos de reação^5,6,7, mecanismos de reação de estudo e imitar órgãos encontrados no corpo humano in vitro (por exemplo, órgão-em-um-chip)^8,9,10. No entanto, à medida que a complexidade do aplicativo aumenta, é típico que um design de dispositivo microfluido mais complexo permita uma melhor replicação do sistema da vida real que se pretende imitar.

O procedimento básico de litografia macia envolve o revestimento de um substrato com uma substância fotoresistista e a colocação de uma máscara sobre o substrato revestido antes de submeter o substrato à luz UV¹¹. A máscara fotográfica possui regiões transparentes que imitam o padrão desejado dos canais do dispositivo microfluido. Ao submeter o substrato revestido à luz UV, as regiões transparentes permitem que a luz UV penetre através da máscara fotográfica, fazendo com que o fotoresist seja cruzado. Após a etapa de exposição, o fotoresist não-transligado é lavado usando um desenvolvedor, deixando estruturas sólidas com o padrão pretendido. À medida que a complexidade dos dispositivos microfluidos se torna maior, eles requerem construção em várias camadas com dimensões extremamente precisas. O processo de microfabização multicamadas é muito mais difícil em comparação com a microfabização de camada única.

A microfabização multicamadas requer um alinhamento preciso dos recursos da primeira camada com os desenhos na segunda máscara. Normalmente, esse processo é realizado utilizando um alinhador de máscaras comerciais, que é caro e requer treinamento para operar as máquinas. Assim, o processo de microfabização multicamadas é tipicamente inatingível para laboratórios menores que não têm recursos ou tempo para tais empreendimentos. Embora vários outros alinhadores de máscaras personalizados tenham sido desenvolvidos, esses sistemas muitas vezes exigem a compra e montagem de muitas peças diferentes e ainda podem ser bastante complexos^12,13,14. Isso não é apenas caro para laboratórios menores, mas também requer tempo e treinamento para construir, entender e usar o sistema. O alinhador de máscaras detalhado neste artigo buscou aliviar essas questões, pois não há necessidade de compra de equipamentos adicionais, exigindo apenas equipamentos que normalmente já estão presentes em laboratórios que produzem e utilizam dispositivos microfluidos. Além disso, o alinhador de máscaras é fabricado pela impressão 3D, que com o recente avanço da tecnologia de impressão 3D, tornou-se prontamente disponível para a maioria dos laboratórios e universidades a um custo acessível.

O protocolo detalhado neste artigo visa criar um alinhador de máscaras alternativa de fácil funcionamento e econômico. O alinhador de máscaras aqui detalhado pode viabilizar a microfabização multicamadas para laboratórios de pesquisa sem instalações convencionais de fabricação. Usando o adaptador de alinhamento da máscara de microscópio (MMAA), microchips funcionais com características complexas podem ser alcançados usando uma fonte de luz UV regular, microscópio óptico e equipamentos de laboratório comuns. Os resultados mostram que o MMAA tem um bom desempenho com um sistema de exemplo usando um microscópio vertical e uma caixa de exposição à luz UV. O MMAA produzido utilizando o processo de impressão 3D foi usado para adquirir um molde mestre bicamada de um dispositivo microfluido herringbone com erros mínimos de alinhamento. Utilizando o molde mestre fabricado com um MMAA impresso em 3D, dispositivos microfluidos foram preparados com estruturas multicamadas contendo erros de alinhamento de < 10 μm. O erro de alinhamento de <10 μm é mínimo o suficiente para não dificultar a aplicação do dispositivo microfluido.

Além disso, foi confirmado o alinhamento bem sucedido de um molde mestre de quatro camadas produzido com o MMAA, e erros de alinhamento foram determinados como < 10 μm. A funcionalidade do dispositivo microfluido e erros mínimos de alinhamento validam a aplicação bem sucedida do MMAA na criação de dispositivos microfluidos multicamadas. O MMAA pode ser personalizado para caber em qualquer microscópio e sistema de exposição UV, fazendo pequenas alterações no arquivo na impressora 3D. O protocolo a seguir descreve as etapas necessárias para ajustar o MMAA para adequar o equipamento disponível em cada laboratório e imprimir em 3D o MMAA com as especificações necessárias. Além disso, o protocolo detalha como desenvolver um molde mestre multicamadas usando o sistema e, posteriormente, produzir dispositivos microfluidos PDMS usando o molde mestre. A geração do molde mestre e dos chips microfluidos permite que o usuário teste a eficácia do sistema.