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

Résumé

Ce projet permet aux petits laboratoires de développer une plateforme facile à utiliser pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis. La plate-forme se compose d’un adaptateur d’alignement de masque de microscope imprimé en trois dimensions à l’aide duquel des dispositifs microfluidiques multicouches avec des erreurs d’alignement de <10 μm ont été réalisés.

Résumé

Ce projet vise à développer une plate-forme facile à utiliser et rentable pour la fabrication de dispositifs microfluidiques multicouches précis, ce qui ne peut généralement être réalisé qu’en utilisant un équipement coûteux dans une salle blanche. L’élément clé de la plate-forme est un adaptateur d’alignement de masque de microscope (MMAA) imprimé en trois dimensions (3D) compatible avec les microscopes optiques ordinaires et les systèmes d’exposition à la lumière ultraviolette (UV). Le processus global de création de l’appareil a été considérablement simplifié en raison du travail effectué pour optimiser la conception de l’appareil. Le processus consiste à trouver les dimensions appropriées pour l’équipement disponible en laboratoire et à imprimer en 3D le MMAA avec les spécifications optimisées. Les résultats expérimentaux montrent que le MMAA optimisé conçu et fabriqué par impression 3D fonctionne bien avec un microscope commun et un système d’exposition à la lumière. À l’aide d’un moule maître préparé par le MMAA imprimé en 3D, les dispositifs microfluidiques résultants avec des structures multicouches contiennent des erreurs d’alignement de <10 μm, ce qui est suffisant pour les micropuces courantes. Bien que l’erreur humaine lors du transport de l’appareil vers le système d’exposition aux rayons UV puisse entraîner des erreurs de fabrication plus importantes, les erreurs minimales obtenues dans cette étude peuvent être obtenues avec pratique et soin. De plus, le MMAA peut être personnalisé pour s’adapter à n’importe quel microscope et système d’exposition aux UV en apportant des modifications au fichier de modélisation dans le système d’impression 3D. Ce projet fournit aux petits laboratoires un outil de recherche utile car il ne nécessite que l’utilisation d’équipements qui sont généralement déjà disponibles pour les laboratoires qui produisent et utilisent des dispositifs microfluidiques. Le protocole détaillé suivant décrit le processus de conception et d’impression 3D pour le MMAA. En outre, les étapes d’acquisition d’un moule maître multicouche utilisant le MMAA et de production de puces microfluidiques en poly(diméthylsiloxane) (PDMS) sont également décrites ici.

Introduction

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.

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Protocole

1. Conception de la MMAA

1. Obtenir les dimensions du plateau du système d’émission de lumière UV disponible pour qu’elles soient la limite supérieure des dimensions du porte-plaquette (ou de l’unité d’exposition UV) illustrées à la figure 1. Comme le montre la figure 2A,mesurez le diamètre (d) de la jante circulaire intérieure, la hauteur intérieure (h) du plateau du système d’émission de lumière UV, la largeur totale (w) et la longueur (l) du plateau.
   REMARQUE: À titre d’exemple, le système d’exposition à la lumière UV disponible avait des dimensions de plateau intérieur de 5 pouces (« ) x 5 « x 0,25 » avec une découpe circulaire de 4 « . Les dimensions du MMAA ont ensuite été conçues pour ne pas être supérieures aux dimensions du plateau intérieur pour s’adapter correctement et s’asseoir à plat dans le plateau du système, comme le montre la figure 2B. Voir la figure 3 pour les pièces imprimées en 3D du MMAA : plaquette de silicium revêtue de photorésine et une fixation pour fixer la configuration au microscope.
2. Mesurez la longueur entre les vis de l’étage de microscope vertical disponible qui maintiennent le porte-lames en place. De plus, mesurez la largeur des vis. Appliquez ces dimensions pour personnaliser le support magnétique (Figure 1) pour s’adapter au microscope disponible afin de permettre une fixation facile et précise du MMAA au microscope (Figure 4A).
3. À l’aide d’une application de conception informatique disponible, personnalisez le porte-plaquettes et la fixation du microscope magnétique pour qu’ils s’adaptent aux dimensions mesurées. Concevez la hauteur, la largeur et la longueur du porte-plaquettes de sorte qu’elles ne soient pas supérieures à la hauteur (h), à la largeur (w) et à la longueur (l) du plateau du système d’émission de lumière UV. De plus, incluez la découpe circulaire au bas du porte-plaquettes avec le même diamètre (d) que le plateau du système d’émission de lumière UV. Générez des fichiers STL ou CAO pour les deux pièces du MMAA à utiliser pour l’impression 3D de l’appareil (voir Matériel supplémentaire).

2.3D Impression du MMAA

1. Téléchargez les fichiers STL ou CAO générés sur le logiciel d’impression 3D disponible. Imprimez en 3D les deux pièces du MMAA en suivant la procédure appropriée pour le processus 3D et l’imprimante utilisés. Complétez les pièces en suivant toutes les étapes de post-impression requises (par exemple, retrait du matériau de support, retrait de la résine non durcie, étapes supplémentaires de lavage ou de durcissement). Vous pouvez également utiliser une installation d’impression 3D disponible pour que les pièces conçues aient été imprimées et complétées ailleurs.
2. Assurez-vous que le porte-plaquettes s’adapte bien et se trouve à plat à l’intérieur du plateau du système d’exposition aux rayons UV disponible(Figure 2B). De plus, assurez-vous que la fixation du microscope est fixée à l’étage du microscope et peut être déplacée facilement à l’aide des boutons qui contrôlent les positions x et y de l’étage du microscope(Figure 4A).
3. Une fois les pièces finalisées, insérez et fixez les aimants dans le porte-plaquettes et la fixation du microscope(Figure 3A),à l’aide de super colle ou de toute autre substance de fixation. Laissez sécher la colle avant de tester le système.
   REMARQUE: Si vous le souhaitez, une pièce de protype peut d’abord être imprimée à l’aide d’une imprimante 3D FDM (Fused Deposition Modeling) pour économiser des ressources et de l’argent¹⁵. Ce protype peut ensuite être évalué pour un ajustement précis à l’équipement disponible, et la conception peut ensuite être modifiée, si nécessaire. L’appareil final peut ensuite être imprimé à l’aide d’un processus plus précis (par exemple, la stéréolithographie) pour une meilleure précision. L’appareil final peut également être imprimé avec une finition translucide pour une utilisation optimale au microscope.

3. Essais expérimentaux du MMAA

1. Conception et impression des photomasques de dispositif microfluidique avec marqueurs d’alignement
   1. Utilisez une application de conception informatique pour concevoir des photomasques pour le dispositif microfluidique bicouche souhaité.
   2. Inclure des structures supplémentaires sur le côté des structures de canaux du dispositif microfluidique qui agiront comme des marqueurs d’alignement (plus près du bord du photomasque / moule maître) comme illustré à la figure 5A,B. Assurez-vous qu’il y a un marqueur d’alignement de chaque côté du dispositif microfluidique (pour un total d’au moins quatre). De plus, assurez-vous que le photomasque contient un bord droit qui peut s’aligner parfaitement avec le bord droit de la plaquette de silicium.
      REMARQUE: La complexité plus élevée de la structure du marqueur d’alignement permettra une plus grande précision d’alignement des couches supplémentaires. Au minimum, une structure transversale simple avec des mesures de 1 mm x 1 mm devrait être utilisée (Figure 6A). Un exemple des marqueurs d’alignement peut être vu dans les coins et le bord central inférieur de la figure 5A,B, qui représentent les photomasques de première et deuxième couche utilisés pour générer un moule maître à double couche.
   3. Imprimez les photomasques par l’intermédiaire d’un fournisseur commercial ou d’autres installations accessibles
2. Création du moule maître bicouche à l’aide du MMAA (photolithographie)
   1. En utilisant les techniques de photolithographie standard et les instructions du fabricant de la photorésine, créez la première couche du moule maître à l’aide du photomasque de la première couche¹⁶. Utilisez une plaquette de silicium de 4 po avec la photorésine appropriée (c.-à-d. SU-8) pour créer l’épaisseur de couche souhaitée. Assurez-vous que l’épaisseur de la première couche est supérieure à celle des couches suivantes pour faciliter l’identification des marqueurs d’alignement.
   2. Utilisez un stylo marqueur de couleur claire (par exemple, de l’or) pour colorer les marqueurs d’alignement du premier calque sur les quatre côtés.
   3. En utilisant les instructions du fabricant de la résine photosensible, initiez la deuxième couche du moule maître en enroulant la résine photosensible sur la plaquette et en effectuant la cuisson douce¹⁶. Insérez la plaquette revêtue dans le support de plaquette du MMAA(Figure 3B)et fixez la plaquette revêtue au MMAA à l’aide de ruban adhésif.
   4. Fixez le porte-plaquette au microscope vertical disponible à l’aide de la fixation du microscope magnétique (Figure 4A). Déplacez la position du MMAA à l’aide des boutons de direction x et y de l’étage du microscope jusqu’à ce que l’un des marqueurs d’alignement colorés sur la plaquette soit visible à travers la lentille du microscope.
   5. Insérez le photomasque de deuxième couche dans le porte-plaquette, au-dessus de la plaquette revêtue (Figure 3C). Assurez-vous que les marqueurs d’alignement colorés de la première couche peuvent être partiellement vus à travers les marqueurs d’alignement sur le photomasque.
   6. Fixez le photomasque à un élévateur à ciseaux (également appelé prise de support) à travers l’une des découpes latérales(Figure 4B)avec du ruban adhésif. Utilisez l’élévateur à ciseaux pour ajuster la position dans la direction z du photomasque jusqu’à ce qu’il se trouve juste au-dessus de la plaquette revêtue(Figure 3C).
      REMARQUE: L’élévateur à ciseaux permet un réglage fin de la position z du photomasque, car l’élévateur à ciseaux peut être utilisé pour déplacer la position du photomasque attaché dans la direction z.
   7. Tout en gardant le photomasque immobile, regardez à travers la lentille du microscope et identifiez les marqueurs d’alignement colorés de la première couche sous les marqueurs d’alignement du photomasque. Utilisez les boutons de direction x et y de l’étage du microscope pour déplacer la position du MMAA(Figure 4D). Ajuster la position du MMAA jusqu’à ce que le marqueur d’alignement sur le photomasque soit superposé au marqueur d’alignement coloré sur la première couche(Figure 6A,B)en observant la position des marqueurs d’alignement à travers la lentille du microscope.
   8. Appliquez soigneusement une légère force sur le photomasque et utilisez du ruban adhésif pour fixer le photomasque en place sur le dessus de la plaquette enduite. Détachez le photomasque de l’élévateur à ciseaux. Assurez-vous que les quatre marqueurs d’alignement sur le photomasque sont alignés avec les quatre marqueurs d’alignement de la première couche.
   9. Une fois l’alignement réalisé, détachez soigneusement le porte-plaquette de l’étage du microscope. Insérez la plaque supérieure en verre sur le dessus de la plaquette et du photomasque pour réduire l’écart entre les deux pièces (Figure 1). Placez l’ensemble du porte-plaquettes dans le système d’exposition à la lumière UV disponible, comme illustré à la figure 4E. Exposez la deuxième couche pendant le temps et l’intensité lumineuse appropriés, comme décrit dans les instructions du fabricant de la photorésistante¹⁶.
   10. Retirez le porte-plaquettes du système d’exposition aux rayons UV. Retirez la plaquette enduite du porte-plaquette et détachez le photomasque de la plaquette. Terminer le traitement de la deuxième couche (p. ex., après la cuisson, le développement, le rinçage et le séchage) conformément aux instructions du fabricant de la photorésiste¹⁶.
       REMARQUE: Le revêtement de spin exact, la cuisson douce, l’exposition, la post-cuisson et les conditions de développement (temps, température) varient en fonction de la résine photoserésique utilisée et de l’épaisseur de couche souhaitée. Les conditions réelles et la procédure de photolithographie exacte doivent être basées sur les instructions du fabricant de la photorésine.
3. Préparation d’un dispositif microfluidique à l’aide du moule maître (lithographie douce)
   1. Récupérez le moule maître et fixez-le au milieu d’une boîte de Petri en plastique de 150 mm x 15 mm avec du ruban adhésif.
   2. Préparez environ 15 à 20 g de PDMS en fonction des instructions du fabricant. Placez le PDMS dans une chambre à vide ou laissez-le reposer jusqu’à ce qu’il soit exempt de bulles. Versez le PDMS dans la boîte de Petri contenant le moule maître.
   3. Laissez la boîte de Petri avec le moule principal reposer sur le comptoir jusqu’à ce que le PDMS soit exempt de bulles. Placer la boîte de Petri dans un four à 65 °C jusqu’à ce que le PDMS soit complètement durci (au moins 3 h).
   4. Découpez le PDMS pour révéler les structures des microcanaux. Coupez le PDMS autour des structures de microcanaux en micropuces séparées et créez les trous d’entrée et de sortie pour le dispositif microfluidique. Utilisez du ruban adhésif pour éliminer doucement les petites particules qui peuvent se trouver sur la surface du PDMS.
   5. Terminez la fabrication de la micropuce en liant la puce PDMS au PDMS ou à une lame de microscope en traitant au plasma la puce PDMS et le substrat supplémentaire.
4. Détermination de l’erreur d’alignement
   1. Récupérez le moule principal et utilisez le microscope vertical pour déterminer la distance d’écart (erreur d’alignement) entre la première couche et la deuxième couche. Pour ce faire, mesurez simplement la distance à laquelle la deuxième couche est décalée et désalignée par rapport à la première couche sur les structures de microcanaux (voir la figure 5D pour un exemple de distance d’écart mesurée).
   2. Utilisez le microscope vertical pour déterminer si la puce PDMS contient des parois de canaux droites avec des bords clairs. En outre, vérifiez la puce PDMS pour tout défaut possible qui pourrait entraver le fonctionnement de l’appareil.
      REMARQUE: La fabrication du moule maître (sections 3.2 et 3.3) peut devoir être répétée pour obtenir une erreur d’alignement plus faible. Il est démontré que la pratique répétée de l’utilisation du MMAA améliore la capacité de l’utilisateur à créer un moule maître bien aligné. De plus, les images peuvent être obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB)(Figure 7)pour confirmer l’erreur d’alignement.

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Résultats

Grâce à l’optimisation et à l’utilisation du MMAA(Figure 1),des moules maîtres multicouches avec une erreur d’alignement minimale ont été fabriqués. Le MMAA final a été fabriqué à l’aide du procédé d’impression 3D FFF (Fused Filament Fabrication)(Figure 2). Le processus FFF confère une précision accrue pour les dimensions souhaitées de l’appareil. Le MMAA se compose de deux pièces principales(Figure 3):...

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Discussion

Le protocole susmentionné décrit la procédure d’impression 3D d’un MMAA et d’utilisation du système pour créer un moule maître de dispositif microfluidique précis et multicouche. Bien que l’appareil soit facile à utiliser, il existe des étapes critiques dans le protocole qui nécessitent de la pratique et des soins pour assurer un bon alignement des couches de moule principales. La première étape critique est la conception du MMAA. Lors de la conception du MMAA, il est essentiel de déterminer les mesu...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament			Provided by the Texas Tech University 3D printing facility
BX53, Upright Microscope	Olympus
Form 2, Stereolithography 3D printer	Formlabs
Advanced Hot Plate Stirrer	VWR	97042-642
Isoproyl Alcohol, 70% (v/v)	VWR	BDH7999-4
Light Colored Marker	Sharpie
Magnets, 3 mm x 3 mm	WOTOY		ASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit	DOW	4019862
Petri Dish, 150 mm x 15 mm	VWR	25384-326
Printed Photomasks	CAD/Art Services, Inc.
Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor Lift	VWR	12620-904
Silicon Wafer	University Wafer	452
Sodium Hydroxide	VWR
Sonication Bath	Branson	CPX3800H
Spin Coater	Laurell Technologies Corporation	Model WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30	MakerBot Industries, LLC	SR-30	Dissolvable support material for 3D printing
Stratasys uPrint SE 3D Printer	Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50	Kayaku	Y131269 0500L1GL
SU-8 100	Kayaku	Y131273 0500L1GL
SU-8 Developer	Kayaku	Y020100 4000L1PE
Super glue	Gorilla Glue
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane	Sigma-Aldrich	448931-10G
Tape	Scotch
Form Cure, UV Curing Chamber	Formlabs	FH-CU-01
UV-KUB2, UV Light-Exposure Box	Kloe	UV-KUB2