תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

Summary

אסטרטגיית הייצור מוספים לעיבוד UV-crosslinkable hydrogels פותחה. אסטרטגיה זו מאפשרת הרכבה שכבה אחרי שכבה של מבנים הידרוג microfabricated, כמו גם ההרכבה של רכיבים עצמאיים, מניב מכשירים משולבים המכילים רכיבים לזוז כי הם מגיבים הופעה מגנטי.

Abstract

פוליאתילן גליקול (PEG)-hydrogels מבוסס הם מסתיימים hydrogels אושרו לשימוש בבני אדם על ידי ה-FDA. Hydrogels מבוססי פג טיפוסי ארכיטקטורות מונוליטי פשוטה ויש לעיתים קרובות לתפקד פיגומים חומרים עבור יישומי הנדסה רקמות. מבנים מתוחכמים יותר כלל לוקח זמן רב כדי להמציא את לא מכילים רכיבים נע. פרוטוקול זה מתאר שיטה פוטוליתוגרפיה המאפשר מיקרו-מלאכותית נתיישב ומהירה של פג מבנים ומכשירים. אסטרטגיה זו כרוכה שלב ייצור שפותחו שבאתר המאפשרת הזיוף מהירה של מבנים תלת-ממד על-ידי בניית כלפי מעלה בצורה שכבה אחרי שכבה. עצמאית לעבור רכיבים יכולים להיות גם מיושר, המורכבים על מבנים תמיכה כדי ליצור התקנים משולבים. רכיבים עצמאיים אלה הם מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל פאראמגנטי הרגישים הופעה מגנטי. באופן זה, המכשירים מפוברק יכול להיות actuated באמצעות מגנטים חיצוני להניב תנועת הרכיבים בתוך. לפיכך, טכניקה זו מאפשרת הזיוף של MEMS כמו מכשירים מתוחכמים (micromachines) אשר מורכבים ומאריחי הידרוג מסתיימים, מסוגל לתפקד ללא מקור כוח על הסיפון, ולהגיב שיטה פחות מגע של הופעה. כתב יד זה מתאר את הזיוף של הן את הסידור פבריקציה נוספת, כמו גם שיטת צעד אחר צעד מיקרו-מלאכותית של התקנים MEMS דמוי אלה מבוססות על hydrogels.

Introduction

MEMS התקנים מצאו מספר רב של יישומים בעיקר בתחום של מכשור רפואי. למרות שהם להלוות הרבה פונקציות הוסיף הטבע ולמחקר של התקנים אלה לגרום להם אטרקטיבי לשימוש להפריה מלאכותית^1,2,3, התקנים אלה בדרך כלל יש הביו ובטיחות הטבועה פתרון בעיות, כפי הם מורכבים של חומרים מזיקים לגוף (למשל, מתכות, סוללות, וכו ')^4,5,6. Hydrogels מבוססי פג רשתות פולימר נוזלי נפוחות, שימשו לעתים קרובות עבור יישומים כגון פיגומים הנדסת רקמות בעיקר בחלקו עקב שלהם גבוהה הביו^7,8. Hydrogels מבוססי פג היו גם באישור ה-FDA לשימוש בני אדם^9,10,11. עם זאת, בשל מאפייני הידרוג גשמי, הם לא בקלות לעמוד תהליכי ייצור רגיל כגון טכניקות בשימוש מיקרו-מלאכותית מבוססי סיליקון טיפוסי. לפיכך, בונה מבוססי הידרוג מוגבלים בדרך כלל פשוט לארכיטקטורות מונוליטי. המאמצים הנוכחיים-מיקרו-מלאכותית של hydrogels גרמו במבנים עם תכונות בגודל מיקרון; עם זאת, מבנים אלה לעיתים קרובות של שכבה אחת, גשמי יחידה^12,13 , חוסר הזזת רכיבים^14,15,16.

בעבודה קודמת, נתאר אסטרטגיה בדיית המכונות הקטנות שיש מורכבים לחלוטין הידרוג מבוססי פג מסתיימים גשמי¹⁷פה. תכונות בגודל מיקרון יכול להיות מפוברק בקלות באמצעות שיטה פוטוליתוגרפיה, מבנים אלה יכול להיות בנוי כלפי מעלה באמצעות שיטה שכבה אחרי שכבה, מופעל על-ידי תנועת ציר z מדויק של המצע שעליו הם polymerized את hydrogels. Hydrogels של יצירות שונות יכול להיות מפוברק סמוכים זה לזה. בנוסף, התקנים אלה כוללים רכיבים נעים יכול להיות actuated באמצעות מגנט חיצוני. טכניקה זו תכליתי מתאים גם לעיבוד כל חומר רך או הידרוג זה צילום-polymerizable. לכן, טכניקה זו הוא מתאים היטב בדיית מכשירים מתוחכמים כמו MEMS המורכב כולו hydrogels.

Protocol

1. ייצור הבמה

1. להרכיב את הסידור פבריקציה נוספת (איור 1) המורכב הבית נבנה שלב PDMS קאמרית שבו הרכיבים הידרוג הם polymerized. השלב ייצור מורכב העליון אקרילי, שבו מסלולים וערוצים היו במכונה כדי לאפשר חיבורי ואקום, בעל הנורה של ראש מיקרומטר בתוך השלב מאופשר ואקום, ואת משורשרות ההודעות פלדה לאפשר את הבמה כולה יש לתקן על בסיס לייצוב פלדה.
2. לתקן ראש מיקרומטר עם כלי אקרילי של זה הוא במכונה יש מסלולים עבור חיבור ואקום. חיבורי ואקום מאפשרים למשתמש החזק תא PDMS, כמו גם להעביר את הקרום גמיש בתוך תא PDMS.
3. הצב מקור אור UV (320-500 ננומטר) מעל הבמה פבריקציה נוספת כך הזווית התקרית של האור היא בניצב למישור האופקי של השלב (משלים איור 1).

2. ייצור של PDMS קאמרית וקביעת רמת "אפס" שלו

1. להפוך תא PDMS שבו polymerized את hydrogels (ראה איור 1A, PDMS קאמרית). החדר הזה מורכב PDMS היטב עם קרום גמיש שעליו מודבקת על coverslip זכוכית. Coverslip זכוכית אשר מודבקת למוח PDMS גמיש מטופלת נוספת כדי למנוע הידבקות של hydrogels (שלב 2.1.7).
   1. להכין את בסיס PDMS 9 חלק 1 חלק אשפרה הסוכן תערובת (לפי משקל).
   2. מערבבים היטב עם מוט זכוכית כדי להבטיח כי הבסיס וריפוי סוכנים טוב מעורב. צנטריפוגה-1000 g x כדי להסיר בועות אוויר.
   3. בזהירות, שופכים את התערובת PDMS לתוך שתי צלחות פטרי זכוכית להניב שכבה עבה (~ 3 מ מ), שכבה דקה (~0.2 מ"מ). המקום מלא PDMS פטרי על דירה, משטח רמת ולריפוי לילה בטמפרטורת החדר או במשך 30 דקות בתנור עם טמפרטורה לקבוע מינימום של 75 מעלות צלזיוס.
      הערה: שכבה דקה של PDMS נדרש עבור הבסיס של תא PDMS שהיא מבטיחה את הדור של שכבה גמישה כי ניתן בקלות להעביר z-הכיוון על ידי מד בורג מיקרומטר. הרבדים PDMS צריך להיות שטוח ורמת כדי להבטיח כי הרבדים הידרוג polymerized של עובי אחיד.
   4. לאחר PDMS נרפאה לחלוטין, לחתוך עיגול בקוטר 4 ס מ לתוך השכבה עבה באמצעות להב סכין או אולר. לקלף את השכבה PDMS עבה הזכוכית, צלחת פטרי. מניחים את השכבה PDMS עבה (תחתונה-צד למעלה) את השכבה PDMS דק (עדיין בתוך הזכוכית, צלחת פטרי) לתוך תנור פלזמה.
   5. פלזמה לפנק את שכבות PDMS (30 s, אוויר פלזמה) ושניים בונד הצד התחתון של השכבה PDMS עבה הצד העליון של השכבה PDMS דק. הסר את החלקים בונדד הזכוכית, צלחת פטרי כדי ליצור באר מעגלית לשכבה דקה ויוצרים גמיש קרום הבסיס.
      הערה: לפני ההסרה של השכבות בונדד הזכוכית, צלחת פטרי, שתי השכבות בונדד ניתן להניח על פלטה חמה ב 95 ° C כדי לעודד התקשרות של השכבות.
   6. פלזמה בונד coverslip זכוכית (מס ' 2, 22 מ"מ x 22 מ"מ) אל הצד העליון של קרום PDMS גמיש; פלזמה להתייחס זכוכית coverslip והן PDMS קאמרית משלב 4 עבור 30 s (אוויר פלזמה) ומקום coverslip זכוכית עם הצד העליון של קרום גמיש הבסיס להתחבר זה למוח.
   7. Vapor silanize תא PDMS עם טריכלורו (1H 1H, 2H, 2H - perfluorooctyl) silane (PFOTS) במשך 30 דקות לפחות; הכנס תא PDMS desiccator ואקום יחד עם צלחת פטרי קטן עם 60 µL של PFOTS, לחבר את desiccator אטום למערכת ואקום במעבדה מרכזית. להשאיר את desiccator מחוברים למערכת ואקום במשך 30 דקות לפחות.
      1. ודא כי הואקום של desiccator נוצרת כי ה-droplet של PFOTS "בועות" לאחר 5-10 דקות. אדי silanization של התא PDMS מאפשר הסרת נתיישב הידרוג בנוי שכבות ומונע הדבקה חזקה של hydrogels פג polymerized אל פני השטח זכוכית לאחר שימוש ממושך.
2. כדי לקבוע את רמת "אפס" תא PDMS, למקם אותו על הבמה מאופשר ואקום (מחוברים שואב אבק מרכזי של מערכת של המעבדה).
   1. הפעילו לחץ שלילי להחזיק את התא PDMS. המבנים הידרוג פג polymerized בתוך החדר הזה PDMS (איור 1A, אזור ייצור).
   2. מקום coverslip של זכוכית לא מטופל על גבי תא PDMS כזה כי זה מכסה הבאר. המרחק בין coverslip את הזכוכית העליונה (המצע העליונה) את coverslip הזכוכית התחתונה (המצע התחתון) מגדיר את עובי השכבה הידרוג זה נוצר בתוך תא PDMS.
   3. באמצעות הראש מיקרומטר, לדחוף את המצע התחתון כלפי מעלה עד שזה בקשר עם המצע העליונה. השתמש את הקריאה על הראש מיקרומטר ככל שרמת תא PDMS "אפס" כהפניה בעת הגדרת עובי השכבות הידרוג polymerized.

3. Photomask לעיצוב Photopolymerization של הידרוג מזערים

1. כדי לעצב את photomasks, להשתמש בתוכנות CAD.
2. עיצוב כל שכבה ייחודית של המבנה הידרוג זה להיות מפוברק. עיין איור 2 עבור ההתקן דוגמה מפוברק באמצעות פרוטוקול זה. איור 2 מציג 3D סכמטי של המכשיר, הרבדים המתאימים להיות מפוברק כמו גם photomasks שנועדו הזיוף של אלה בשכבות בודדות.
3. עיצוב photomasks בשדה אפל; תכונות כדי להיות polymerized צריך להיות שקוף ואת הרקע הוא אטום (איור 2 C, משלים איור 2).
4. סימני יישור לשלב לתוך עיצובים photomask כדי להקל על היישור של photomasks במהלך תהליך ייצור.
5. להדפיס העיצובים כמו שקיפות photomasks ברזולוציה הגבוהה ביותר הזמינים ועל צפיפות פיקסלים גבוהה.

4. טיפול coverslips זכוכית דקה כדי למנוע הידבקות של Hydrogels

1. ליצירת משטחים להדוף את hydrogels פג polymerized, coverslips זכוכית דקה הם מצופים בשכבה דקה של PDMS.
2. הכנת PDMS (9:1 בסיס כדי אשפרה הסוכן יחס), צנטריפוגה-1000 g x כדי להסיר בועות אוויר.
3. להחיל מעיל דק של PDMS על coverslips זכוכית נקי דקה ולהשאיר לרפא על משטח שטוח ומאוזן בתוך תנור (> 75 ° C, 30 דקות).

5.--שכבה על ייצור של Hydrogels: שכבת איטום למעלה עליונים ותחתונים תומך במבנים

1. כדי ליצור שכבה הידרוג לאחר מכן תשמש כדי לאטום את המכשיר בנוי, השתמש המניח פיסת זכוכית coverslip (מס ' 2) לא מטופל כמו "מכסה" עבור תא PDMS. זה "המכסה" נחשבת המצע העליונה.
   1. החל מרמת "אפס" של המכשיר, הנמך את המצע התחתון באמצעות הראש מיקרומטר לגובה הרצוי. המרחק בין סובסטרטים העליון והתחתון מגדיר את עובי השכבה הראשונה הידרוג (Z₁, איור 3A).
   2. להפקיד נפח קטן של prepolymer PEGDA (למשל, תערובת של 400Da PEGDA עם 1% Darocur 1173), מספיק לכסות את המצע התחתון.
   3. מקם את המצע העליונה אל תא PDMS.
      הערה: חשוב להבטיח כי שם אין בועות אוויר לכוד בין סובסטרטים העליונים והתחתונים.
   4. המקום של photomask בעיצוב הרצוי על גבי המצע העליונה (איור 2C (i)). ודא כי המסכה מלא קשר עם המצע העליונה, מיושר אל המצע התחתון.
   5. לחשוף את prepolymer הידרוג לאור אולטרא סגול דרך photomask (שלב 1, איור 3A). להבטיח כי החשיפה נעשית בתוך חלל סגור המונעת תועה UV חשיפה קלה באזור שמסביב.
      התראה: ללבוש הגנת UV (למשל, UV משקפי) כאשר את המערכת ההפעלה.
      הערה: העוצמה ואת משך החשיפה תלוי בסוג מערכת UV prepolymer PEGDA בשימוש.
   6. לדוגמה, עבור 200 מנורת W UV ו 99% PEGDA (400 Da PEGDA עם 1% photoinitiator (וי/v)) פתרון prepolymer, להגדיר את הכוח מנורה ב 16% (תואם ל- ~2.3 W/cm²), מלא לרפא את hydrogels תוך 4 שניות. משך החשיפה צריך להיות מוגברת עם הפחתת מנורת חשמל והגדלת פג אורך שרשרת prepolymer בשימוש.
   7. לאחר השכבה הידרוג יש כבר polymerized, הרם את המצע העליונה תא PDMS. השכבה polymerized צריך להיות דבקה על גבי המצע העליונה (שיבוץ עבור שלב 1, איור 3A). שומרים שכבה מודבקת זו לשימוש מאוחר יותר. לסגור את המכשיר מורכבים. מגן רובד polymerized מן האור.
      הערה: לשמור את השכבה polymerized מן האור, רטוב עם עודף uncrosslinked prepolymer כדי למנוע את השכבה של ייבוש וסדקים.
2. כדי ליצור את מבנה התמיכה התחתונה, להשתמש coverslips זכוכית מצופים PDMS דקה המצע העליונה של התא PDMS.
   1. להפקיד יותר הידרוג prepolymer על גבי המצע התחתון ולכסות את PDMS עם coverslip זכוכית מצופים PDMS. הדבר נועד להבטיח השכבות polymerized יישארו על התחתון המצע, המאפשר למשתמש לבנות שכבות כלפי מעלה (שלב 2, איור 3A).
   2. חזור על שלבים 5.1.4 ו- 5.1.5 עם עיצוב photomask הרצוי (איור 2 c (iii)).
   3. להסיר את המצע העליונה להוסיף עוד PEGDA prepolymer, הנמך את המצע התחתון באמצעות מיקרומטר הראש לרמה הרצויה. רמה זו צריכה להתאים את העובי של שכבה 2^nd של הידרוג להיות polymerized (Z₂, בשלב 3, איור 3A).
   4. לכסות את PDMS טוב עם המצע העליונה (זכוכית מצופים PDMS) וחזור על שלבים 5.1.4 ו- 5.1.5.
   5. ממשיכים לבנות את שכבות של הידרוג כפי הרצוי באמצעות צעדים 5.2.1 ו 5.2.2 עד המבנים התמיכה הרצויה נוצרות.

6. הרכבת ואיטום המכשיר מבוסס הידרוג

1. כדי להרכיב או לסגור את המכשיר, תחילה להסיר את המצע העליונה (זכוכית מצופים PDMS) ומניחים בעזרת זוג מספריים, רכיבים הידרוג הקבועים מראש (למשל, הילוכים, רכיבים מסטול-ברזל) על גבי המבנים תמיכה (חלק (i), בשלב 4, דמות 3A ).
   הערה: מגנט קבוע עשוי לשמש כדי ליישר רכיבים מסטול-ברזל (עיין תחמוצת ברזל סימום של הידרוג רכיבים עבור שלבי ייצור).
2. כדי לסגור את המכשיר, קודם להביא את המצע התחתון לגובה הרצוי הסופית של המכשיר שהורכב באמצעות מד בורג מיקרומטר. זה אמור להיות הגובה הסופי של המכשיר, לקחת בחשבון את עובי השכבות, ברכיבים פנימיים, כל סיווג בהתחשב להעברת רכיבים (Z₄, בשלב 5, איור 3A)
   1. המקום השכבה הידרוג הקבועים מראש דבקה על גבי coverslip זכוכית ללא טיפול מן 5.1 לתוך ההתקן שהורכב חלקית (חלק (ii), בשלב 4, איור 3A). בזהירות המקום השכבה הקבועים מראש כך שיהיה מיושר כראוי למבנים מתחתיו.
   2. המקום של photomask מאפשר אטימה של המכשיר, אך מגן הפנים להזיז רכיבים חשיפה UV. ודא כי הרכיבים לנוע הן לא polymerized את הקצוות של המכשיר, מניעת תנועתם במהלך הופעה.
   3. לחשוף את כל המבנה לאור UV (חלק (i), שלב 5, איור 3A).
   4. הרם את coverslip זכוכית משלב ייצור. המכשיר אטום צריך לדבוק המצע העליונה ((חלק (ii), שלב 5, איור 3A).
      הערה: אם המכשיר נשאר מודבקת על המצע התחתון, בזהירות להרים את המכשיר עם זוג שקצהו שטוח פינצטה (שאינם משונן) או מרית שטוחה.
   5. הסר בזהירות את עודף PEGDA unpolymerized באמצעות שאיבה ואקום והרם בקפידה את המכשיר את coverslip זכוכית באמצעות זוג מלקחיים שטוח או מרית שטוחה.
   6. מניחים את המכשיר לתוך תמיסת מלח או מים DI. Hydrogels להתנפח בפתרון. השאירו את המכשיר פתרון במשך לפחות 30 דקות לאפשר מייצב והרחבה של המכשיר ואת הרכיבים הפנימיים.
      הערה: אם ההתקן שישמש עבור ויוו השרשה, חשוב לשטוף, לסנן את כל prepolymers uncrosslinked. ניתן לבצע זאת על-ידי שינוי הפתרון שבו ההתקן מודגרת כל שעה (לפחות 3 שטיפות) ולהשאיר את המכשיר בפתרון לילה ולאחר השטיפה את פתרון נוסף.
   7. להוציא אוויר בתוך המכשיר על-ידי הצבת המכשיר בתוך צלחת פטרי מלא מים DI או תמיסת מלח בתוך תא ואקום (מחובר מערכות ואקום במעבדה מרכזית) במשך 30 דקות לפחות. התוצאה תהיה degassing של המכשיר, המכשיר יהיה מלא פתרון לאחר הסרת לחץ שלילי.
      הערה: לשמור על הפתרון להתייבש ב/התקן בכל עת. המכשיר יכול לפצח אותו מניחים להתייבש.

7. תחמוצת ברזל סימום של הידרוג רכיבים

1. להכין פתרון prepolymer PEGDA עם photoinitiator 1% (למשל, 99% (v/v) PEGDA (400 Da) עם 1% Darocur 1173).
   1. באמצעות הפתרון prepolymer הזה, להפוך את פתרון 5% (w/v) של תחמוצת ברזל (II, III) ננו-חלקיק פתרון. שוקל לצאת 5 מ"ג של חלקיקי תחמוצת ברזל, להוסיף 100 µL של PEGDA prepolymer. פיפטה עולה ויורד, מערבולת כדי להבטיח ערבוב אחיד.
   2. ודא כי חלקיקים למשל מפוזרים בתוך prepolymer PEGDA לפני כל שימוש כמו חלקיקים משקעים לאורך זמן.
2. Pipette נפח קטן של תחמוצת ברזל - התערובת prepolymer PEGDA על המצע התחתון של התא PDMS.
3. מכסים את PDMS טוב עם המצע העליונה (זכוכית מצופים PDMS) כדי להבטיח hydrogels בנוי יישארו על המצע התחתון.
4. להביא את המצע התחתון לגובה הרצוי באמצעות הראש מיקרומטר.
   הערה: שכבות דק (200 מיקרומטר) של תחמוצת ברזל-מסטול PEGDA צריך להיות polymerized עם כל חשיפה יחיד. זאת בשל הירידה לעומק של חדירה של UV אור כמו תחמוצת ברזל חלקיקי האטומים, והם מסוגלים לספוג ולחסום אור UV.
5. שימוש photomask המגדיר את הצורה של המקטע כדי להיות מסטול עם תחמוצת ברזל בתוך הרכיב נע, לחשוף את שכבה דקה של תחמוצת ברזל prepolymer מסומם לאור UV (איור 4(i)).
   הערה: זמן החשיפה UV צריך להיות מוגברת על מנת להבטיח כי קטע ברזל-מסטול לגמרי צולבים (~ 10 שניות).
6. הנמך את המצע התחתון, חזור על שלב 6, בניין על קטע מסטול-ברזל ברבדים דקים בכל פעם עד הגובה הרצוי (איור 4(ii)). סך של 5 שכבות צריך להיות polymerized להניב מסטול-ברזל גבוה 1 מ"מ פלח.
7. לאחר המקטע מסטול-ברזל מלאה (איור 4(iii)), להסיר את כל עודפי ברזל-מסטול prepolymer באמצעות שאיבה ואקום. אל תסיר את המקטע מסטול-ברזל החל משלב ייצור.
8. להפקיד את prepolymer PEGDA (undoped) אל המקטע מסטול-ברזל polymerized. להביא את המצע התחתון הגובה הסופי של הרכיב להסתיים. מכסים את PDMS טוב עם המצע העליונה (זכוכית מצופים PDMS).
9. שימוש photomask המגדיר את כל הצורה של הרכיב נע, לחשוף את prepolymer PEGDA, כמו גם על קטע מסטול-ברזל, לאור UV (איור 4(iv)).
10. הסר את המצע העליונה ולהסיר עודפי prepolymer PEGDA unpolymerized באמצעות שאיבה ואקום. רכיב פג עם קטע תחמוצת ברזל מסומם צריכה להישאר על המצע התחתון. הרם בעדינות את רכיב זה בעזרת זוג מספריים.
11. להזמין רכיב זה מסטול-ברזל להרכבה על גבי מבנים תמיכה של התקן מבוסס פג (חלק (i), בשלב 4, איור 3A). מגן רכיב זה האור ולהבטיח שהוא נשאר wetted עם uncrosslinked prepolymer לפני השימוש.

8. הופעה של המכשיר התאספו

הערה: ניתן actuated הרכיבים מסטול-ברזל בתוך המכשיר התאספו כדי להעביר באמצעות מגנט קבוע חזקים כגון ניאודימיום (N52 כוח). הקפד להימנע צובט מפגעים כמו המגנטים נמשכים בעוצמה רבה חומר פרומגנטי.

1. הנח מגנט נאודימיום מתחת או מעל המכשיר תוך 1-2 ס מ מן המכשיר. בעת הזזת את המגנט, התנועה של הרכיבים מסומם תחמוצת ברזל צריך צל תנועת המגנט.
   הערה: למפעיל ניתן לבנות באמצעות מנוע מצורפת עם מגנט. הסיבוב של המנוע צריך לאפשר הופעה המסתובבת של הרכיב מסומם ברזל.

תוצאות

איור 3B מראה תמונות של השכבות של hydrogels polymerized באמצעות את הסידור פבריקציה נוספת. איור 3B (i) מראה מפוברק 400 מיקרומטר בסיס בשכבה עבה עם צוהר מיקרומטר 600. איור 3B (ii) מראה נוספים שתי שכבות היו שכבות על גבי שכבת הבסיס; היקף גבוה מיקרומטר 500, ציר גבוה מיקרומטר 800 באמצע. הזמן שופצו שלוש שכבות אלה היה פחות מ 3 דקות לוקח בחשבון 4 שניות של חשיפה לכל שכבה או זמן הצילום כדי להתאים את הגובה של המצע התחתון ואת היישור של photomasks. העבודות הקודמות לבצע את הסידור פבריקציה נוספת באותו מדגים כי יכול להיות מפוברק מגוון של עיצובים עם רזולוציות גבוה ככל 100 מיקרומטר.

הרכיבים הידרוג יכול גם להיות בקלות מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל. טיימס חשיפה אופטימציה כדי להבטיח שכבות דק (200 מיקרומטר) של prepolymers PEGDA מסטול עם תחמוצת ברזל חלקיקים יכול להיות polymerized באופן מלא. איור 5A מציגה את photomask להשתמש כדי להגדיר את הצורה של המקטע תחמוצת ברזל כדי להיות polymerized. Prepolymer PEGDA בלתי מסומם מונומר באופן מלא תוך 4 שניות של חשיפה UV. עם זאת, כאשר prepolymer מסומם תחמוצת ברזל נחשף במשך 4 שניות כדי UV, הידרוג הנובעת היה לא מלא polymerized, כפי שניתן לראות באיור 5C. קטע שנוצר היה רזה (לעומת קטע מלא צולבים שמוצג באיור 5B), ולא הקצוות אחיד עם פרוץ נאמנות לעומת הצורה שהוגדרו על-ידי photomask. חשיפה UV של 10 שניות נדרש באופן מלא קרוס קישור על קטע תחמוצת ברזל ומציג איור 5B על קטע תחמוצת ברזל שנוצר; קטע תחמוצת ברזל polymerized של עובי מלא (200 מיקרומטר) עם קצוות ישרים, נאמנות הצורה נשמרת היטב לעומת photomask (איור 5A). לעומת זאת, במהלך החשיפה (> 15 שניות) לאור UV נוצר מקטעים תחמוצת ברזל זה היו מעל polymerized. איור 5D מראה מעל קטע יש נאמנות צורה המסכן, הוא גדול יותר הצורה שהוגדרו על-ידי photomask polymerized.

איור 6A מראה התקן המלא לאחר איטום עם יישור תקין על-ידי ניצול photomasks עם סימני יישור. הציוד בתוך המכשיר הוא לחלוטין בתוך החלל המרכזי של המכשיר, והוא לפיכך מגיבים הופעה מגנטי. איור 6B מציגה מכשיר עם שכבת איטום לא מיושרים. איור 6C מראה השכבות התחתון של הידרוג והציוד עצמו מבואר עם קווי מתאר שחור ומראה דמות 6D אטימה misaligned של השכבה העליונה הידרוג מבואר בחלוקות לבן. כפי שניתן לראות מן דמות 6D, חלקים של הציוד שנופל בתוך אזורים בו הפילמור מתקיימים במהלך איטום (מילוי אדום באיור) תוצאות בחלקים של הציוד להיות מעוגנת עיקר החומר הידרוג. פעולה זו מונעת את הציוד לזוז במהלך הופעה.

איור 7 מציגה מכשיר פונקציונלי הילוך בודד היה מפוברק (סה כ זמן ייצור ~ 15 דקות). עובי המכשיר הכולל הוא 2 מ מ והוא המימד הארוך של המכשיר 13 מ מ. הרבדים העליונים והתחתונים של המכשיר הוא עבה 400 מיקרומטר ויש הציוד בגובה של 1 מ מ. עיצוב זה מאפשר סיווג 100 מיקרומטר על המשטח העליון והתחתון של הציוד כדי לאפשר לתנועה. השכבה העליונה ביותר של המכשיר יש צוהר מיקרומטר 600 והוא הסרן שציוד מיקרומטר 400 בקוטר. איור 5B מראה תמונות של המכשיר כאשר זה הוא actuated עם מגנט כזה כי הציוד מבצע סיבוב מלא כפי יכול להיות שנצפו משינוי במצב של המקטע תחמוצת ברזל מ (i) דרך (vi).

איור 1 . מה השטויות פבריקציה נוספת micromachines מבוססי הידרוג- א) תיאור סכמטי של הבמה פבריקציה נוספת. הסכמות מציגה את רכיבי שונים הסידור פבריקציה נוספת כולל תא PDMS בו hydrogels נוצרות בתוך אזור פבריקציה נוספת, שלב מאופשר ואקום אשר מחזיקה למטה תא PDMS, כמו גם מצרף את הממברנה גמיש מיקרומטר ראש ומערכת בקרת גובה המצע העליונה המורכבת coverslip זכוכית או לא מטופל או מצופה PDMS. B) תיאור סכמטי של זווית ישרה של השלב פבריקציה נוספת (ללא PDMS קאמרית). מקור האור UV ממוקם אז כך הזווית התקרית של האור היא בניצב למישור האופקי של השלב פבריקציה נוספת (לא מוצג באיור). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 . סכמטי של המכשיר מבוסס הידרוג יחיד-הילוך, photomasks משמש עבור כל שכבת. א) מפרטים טכניים של העליון - ואת אלכסוני-התצוגה של התקן מבוסס הידרוג טיפוסי יכול להיות מפוברק באמצעות אסטרטגיה זו. מכשיר זה כולל הילוך בודד המכיל מקטע מסטול-ברזל, מה שמאפשר עבור פקד מגנטי. B) מפרטים טכניים של שכבות בודדות והרכיבים בתוך המכשיר. זה מכשיר יחיד-ציוד מורכב מלמעלה איטום שכבה (i), תמיכה מבנים כגון ה-post עבור הציוד מסטול-ברזל ואת הקירות של המכשיר (ii) וכן על התחתון שכבה (iii). עיצובים ג) Photomask נהגה לפברק את ההתקן יחיד-הילוך. Photomasks הם כהה מעוצב שדה; התכונות הרצויות נשארים שקוף אמנם הרקע כהה. לוח זה מראה את העיצובים photomask המתאים לחלק העליון איטום שכבה (i), תמיכה מבנים (ii), השכבה התחתונה (iii). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 . פוטוליתוגרפיה שכבה אחרי שכבה של הידרוג מבוסס micromachines. א) תיאור סכמטי של התהליך צעד אחר צעד עבור ייצור המכשיר בתוך אזור ייצור של תא PDMS. 1: נפח קטן של PEGDA prepolymer הוא pipetted על גבי coverslip זכוכית מלטשים את הקרום גמיש לשכת PDMS (המצע התחתון). חתיכת זכוכית לא מטופל coverslip משמש את המצע העליונה, photomask מונחת על גבי המצע העליונה הזאת. גובה המצע התחתון הוא הביא את הגובה הרצוי (ז₁) באמצעות הראש מיקרומטר. Prepolymer הידרוג ואז נחשף לאור אולטרא סגול דרך photomask. ניתן להעלות את המצע העליונה ואז תא PDMS, את הידרוג שרידים דבקה המצע העליונה (פנימי). שכבה זו שמורה אז לשימוש מאוחר יותר. 2: שלב 1 חוזר על עצמו אבל המצע העליונה מוחלף כעת עם זכוכית מצופים PDMS. הידרוג polymerized יישאר מודבקת על המצע התחתון. 3: גובה המצע התחתון הוא הוריד (Z₂> Z₁) וניתן להוסיף עוד prepolymer אל אזור פבריקציה נוספת. Photomask השני משמש, prepolymer חשוף לאור UV פעם נוספת. 4: ניתן לחזור על שלב 3 (Z₃ > Z₂) עד המבנים התמיכה הרצויה נוצרים. (i) לאחר השלמת המבנים תמיכה, ניתן להסיר את המצע העליונה כדי לאפשר גישה לאזור פבריקציה נוספת על ההקדמה של כל הרכיבים הידרוג preformed (למשל, מסטול-ברזל ציוד). (ii) לאחר הרכיבים preformed להציב, מיושר כראוי, השכבה הידרוג בין שלב 1 ניתן להציב על גבי המבנה מפוברק ו מיושר. 5: כל השכבות ואז נחשפים לאור אולטרא סגול דרך photomask שמשמר את הקצוות של המכשיר. (i) השלב איטום חותמות המכשיר כולו בזמן הרכיבים הפנימיים מוגנים מפני חשיפה UV נוספים. (ii) המכשיר אטום יכול אח את החדר פבריקציה נוספת כמו זה מעדיפים לדבוק המצע העליונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4 . שלבי תחמוצת ברזל nanoparticle סימום של רכיבים הידרוג- (i) אור UV נחשף דרך photomask הגדרת המקטע מסטול-תחמוצת ברזל בתוך הציוד הידרוג. (ii) דק שכבות (200 מיקרומטר) של הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל polymerized בכל פעם, על גבי אחד את השני. (iii) השכבה של שכבות דק יוצר מקטע עם הגובה הכולל של 1 מ מ. קטע זה נשאר ברובד פבריקציה נוספת. (iv) prepolymer בלתי מסומם ואז להפקיד לאזור פבריקציה נוספת, photomask המגדיר את הצורה מלאה של הציוד משמש לאחר מכן במהלך cross-linking. פעולה זו מאפשרת היווצרות של הציוד מלאה עם קטע מסטול-תחמוצת ברזל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5 . Photopolymerization של רכיבים הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל. A) Photomask של ציוד קטע כדי להיות מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל. B) תחמוצת ברזל-מסטול הידרוג כי כבר בצורה אופטימלית polymerized (חשיפה של 10). ג) הידרוג תחמוצת ברזל-מסטול כי כבר תחת polymerized (4 s חשיפה). ד) הידרוג תחמוצת ברזל-מסטול כי כבר polymerized יתר על המידה (חשיפה של 20). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6 . היישור של הידרוג שכבות במהלך איטום של המכשיר- א) תמונת מראה היישור הנכון של הידרוג שכבות עם חינם-העברת ציוד זה לחלוטין בתוך הריק של המכשיר. ב') תמונה בסה כ מציג המכשיר עם שכבות הידרוג misaligned (B, C ו- D הם תמונות של אותו התקן, אבל עם שכבות שונות מודגש). ג) אותה תמונה כמו (B), אבל עם קווי מתאר שחור שחקרתי התחתון שכבות אשר, מיושרים כהלכה. הציוד ממוקם כראוי בתוך הרבדים התחתון. ד) אותה תמונה כמו (B) אבל עם הלבן מתאר מראה misaligned לשכבה העליונה של הידרוג. הציוד יש כבר polymerized חלקית במהלך השלב איטום, חלקים של הציוד (מילוי אדום) ועוגנת בו לחומר בצובר של המכשיר. זה הופך את המכשיר פונקציונלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 7 . הופעה של micromachine מבוססי הידרוג יחיד-הילוך. א) תמונת מראה המכשיר מפוברק. B) תמונות מציג את נטיות שונות של הציוד על הופעה. (i) מן הכיוון הראשוני שלה (0°), מסובבים את הציוד על ידי (ii) 60° ° 120 (ג), (iv) 180°, ° (v) 240, 300°. סולם בר הוא 1 מ אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 8 . ייצור רב תכליתי של עיצובים שונים עבור מבוסס הידרוג micromachines. A) שסתום שער פשוטה אשר שולטת על שחרורו של סמים מתוך מאגר יחיד. התנועה הליניארית של הרכיב הידרוג מסטול-תחמוצת ברזל שערים פעפוע של הסם היפותטי החוצה דרך וכן עודפים. B) מגודרת ליניארי יריעה אשר שולטת על שחרורו של סמים ממאגרים מרובים. כל המאגר מכיל סמים היפותטי, התנועה של השערים רכיב מסטול-תחמוצת ברזל התנועה של סמים אלה מאגרים דרך חלון של הידרוג המאפשרת פעפוע של תרופות אלו החוצה אל החוץ. ג) רוטור פשוט כי יכולים להיות actuated לסובב על ציר. ד) עיצוב מתוחכם מבוסס על הכונן ז'נבה. הילוך נהיגה עם סיכה היא היכולת לעסוק הילוך מונחה גדול יותר ולייצר תנועה לסירוגין; סיבוב מלא של הציוד המניע מסובב את הציוד מונע על ידי 60 ° צלזיוס. כל קווי מידה הם 1 מ מ. מן הסנטר, ס י' ואח כתוסף בייצור חומרים מבוססי הידרוג עבור מכשירים רפואיים להשתלה הדור הבא. רובוטיקה המדע. 2 (2), (2017). הודפס מחדש באישור מ AAAS¹⁷. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

טכניקה זו היא שיטה נתיישב ומהירה פוטוליתוגרפיה שכבה אחרי שכבה של הידרוג מזערים. באמצעות תוסף של ייצור גישה, אנו יכולים לבנות בקלות מגוון רחב של מבנים תלת-ממד מחומרים מסתיימים, אפילו לשלב חלקים נעים. זה ובכך תאפשר היווצרות של microdevices מסתיימים לחלוטין. הטכניקה מבוססת על החזרה פשוטה על צעדים ליתוגרפיה, אשר מופעל על ידי שליטה מדויקת של גובה המצע התחתון דרך ראש מיקרומטר. טכניקות ייצור מסורתיים המשמשים את תעשיית MEMS, מעורבים קשים עיבוד טכניקות וחומרים ההקרבה, הוא לעתים קרובות לא תואם עם העיבוד של hydrogels רך. שיטות נוספות hydrogels הדפסת תלת-ממד, כגון שיטות מבוססות שחול, מוגבלים רזולוציות המרחבי מעל 200 מיקרומטר ולהדפיס מהירויות של מ מ/s למבני פשוטות שאינן כוללות העברת חלקים^18,19. Stereolithography (SLA) ואת המיזם הדיגיטלי אור (DLP) המבוסס על bioprinters אולי תהיה אפשרות להשגת החלטות טוב יותר אך גם הרבה costlier ההתקנה. אסטרטגיות אלו פבריקציה נוספת גם שלא מסוגלים בקלות להדפיס המסוכך בלי תמיכה המצע חומרים, אשר יכול להיות קשה כדי להציג ולהסיר ההתקן הושלמה. נוכל לעקוף את זה יישור ופיזור polymerizing שכבת איטום הקבועים מראש למבנה תמיכה מפוברק כשלב הסופי כדי ליצור את התקן הושלמה. העיצוב של הסידור פבריקציה נוספת מעניקה למשתמש גישה קלה אל המבנים מפוברק ומאפשר יישור קל של רכיבים שונים עם השימוש של סימני יישור.

האסטרטגיה המובאת כאן היא גם הרבה יותר מהר מאשר טכניקות אחרות של החלטות דומות; הזמן הכולל נלקח הזיוף והפגינו של המכשיר עם מסע הוא כ-15 דקות. עוד הוסיף היתרון של אסטרטגיה זו פבריקציה נוספת, אבל לא הפגינו פרוטוקול זה אלא שמוצג שלנו הקודם עבודה¹⁷, היא היכולת של המשתמש כדי במהירות, בקלות לשנות את הסוג של פולימר המשמש בין השלבים ניתן לעשות זאת בכמויות קטנות . בדרך זו, באפשרותך ליצור התקנים ללא הפרדות צבע של סוגים שונים של hydrogels. המכשיר מפוברק באמצעות אסטרטגיה זו גם יש יתרון נוסף של הופעה ללא מגע כמו הציוד מכיל מקטע הוא מסטול עם חלקיקי תחמוצת ברזל, עיבוד של הציוד רגיש הופעה מגנטי והוא יכול ובכך להיות actuated שימוש חיצוני מגנט. בנוסף, המכשיר כולו מסתיימים, ומכאן וייתכן שהוא מושתל בבטחה ויוו.

תכונה חשובה של טכניקה זו היא הטיפול של מצעים זכוכית שונים, אשר מאפשר למשתמש מעדיפים לדבוק, או להדוף את הידרוג polymerized התחתון או העליון זכוכית המצע. כאשר נעשה שימוש בשילוב של זכוכית ללא טיפול עם משטח זכוכית שטופלו PFOTS (המצע התחתון), בנוי hydrogels מעדיפים לדבוק זכוכית ללא טיפול, כפי שהם דוחים מפני השטח fluorinated של זכוכית שטופלו PFOTS. לעומת זאת, כאשר הזכוכית מצופה PDMS משמשת עם המצע התחתון שטופלו PFOTS, hydrogels נוטים להישאר על פני שטופלו PFOTS כפי PDMS משטחים בצורה חזקה יותר להדוף את hydrogels בנוי. תכונה זו מאפשרת לבנות כלפי מעלה, לדבוק hydrogels כך הם נמצאים ותשמרו על מצעים זכוכית, ניתן לשריין עבור יישור מבנים אחרים בשלב מאוחר יותר בזמן, או אפילו לבנות כלפי מטה. זה מוסיף הגמישות של טכניקה, סוגים של עיצובים זה יכול להיות מפוברק, כמו גם מאפשר שיתוף איטום של הידרוג עצמאית, חינם-מעביר רכיבים.

במהלך ייצור שכבה אחרי שכבה, חשוב לייעל את הזמן הפילמור בשימוש. Hydrogels צריך להיות בצורה אופטימלית צולבים כזה כי הם יוצרים-עובי מלא כמו גם דיוק גבוה בהשוואה לצורות שהוגדרו על-ידי photomask. . זה תלוי בכוח את המנורה ואת הסוג של הידרוג בשימוש. אמנם לא שמוצג פרוטוקול זה, בזמן הפילמור יורד עם הגדלת כוח המנורה ומגביר עם אורך שרשרת פג ולהקטנה ריכוזי PEGDA בשימוש. גורמים אחרים המשפיעים על כמות האנרגיה הזמינה עבור photopolymerization, כגון שינוי אטימות prepolymer בשל התוספת של חלקיקי תחמוצת ברזל (איור 4), ישפיעו גם על הזמן הפילמור. אופטימיזציה עבור cross-linking התנאים עבור קומפוזיציות שונות הידרוג נדרש ולכן לפני תחילת תהליך ייצור של התקנים.

השימוש של יישור הסימנים על photomasks היישור הנכון של השכבות הידרוג, בעיקר לאטימת בשכבה, חשובים להבטיח אטימה נכונה מבוצע הרכיבים הפנימיים אינם צולבים בשוגג סביב מבני תמיכה בתהליך ייצור. זה למנוע רכיבים אלה לנוע בחופשיות במהלך הופעה מגנטי. כמוצג באיור5, מלמעלה לא מיושרים איטום שכבת ו photomask התוצאה crosslinking את עיגון של חלק הציוד לחומר בצובר של המכשיר עצמו. כתוצאה מכך, הציוד הזה לא סובב כאשר actuated עם מגנט.

יכול להיות actuated ההתקנים באמצעות מגנטים קבועים חזק כמו מגנטים ניאודימיום. המגנטים לייצר כוחות מגנטיים חזקים כאשר בטווח קרוב לחומרי פרומגנטי, להקפיד למנוע פגיעה. המכשיר יכול להיות actuated לעבור בלי המגנט במגע עם המכשיר; המגנט יכול להיות מחזיקים או מניחים אותה ~ 1 ס מ מן המכשיר. התנועה של הרכיבים מסטול-ברזל צריך לשקף את תנועת המגנט ולא ניתן actuated להעביר באופן רציף או מונחה לסירוגין לפי הצורך. המכשיר יכול להיות actuated באופן ידני או הגדרת הופעה יכול לשמש. המגנט ניתן לחבר כל בוכנה (למשל, מנוע סרוו) לתנועה סיבובית. מהירות הסיבוב של המגנט, ומכאן מהירות הסיבוב של הרכיב מסטול-ברזל, יכול להיות נשלט באמצעות של מיקרו-בקר. זה מספק שיטה מדויקת יותר של הופעה.

איור 8 מראה התרשימים והתמונות של עיצובים שונים מהעבודה הקודמת זוייפו באותה שיטה, להדגים צדדיות של שיטה זו. טווח עיצובים אלה ממכשירים פשוטים הדומים שסתומים (איור 8A) כדי מסובך ומתוחכם יותר עיצובים השואבים את השראתם מעיצוב נסיעה ז'נבה (איור 8D) המרכיבים של 2 הילוכים עוסקת המייצרים לסירוגין תנועה. התכונות הקטן ביותר יכול להיווצר בעזרת טכניקה זו היו בדרך כלל כ-100 מיקרומטר, לכל עיצוב מורכב שכבות מרובות (3 עד 6 שכבות). סוגים שונים של יצירות הידרוג (עם הכוחות מכני, נקבוביות) יכול להיות גם polymerized, בונדד אחד לשני. לפיכך, אחד בקלות ניתן לשלב סוגי hydrogels כדי לשמש בתוך התקן בהתאם לפונקציה הנדרשת של הרכיבים השונים בתוך המכשיר.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Poly(ethylene glycol) (n) diacrylate [MW 400Da]	Polysciences, Inc	01871-250	PEGDA reagent for prepolymer
Darocur 1173	Ciba Specialty Chemicals, Inc	-	Photoinitiator
Iron oxide (II, III)	Sigma Aldrich	637106-25G	Iron oxide nanoparticles
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane	Sigma Aldrich	448931	Fluorinated compound that is used to vapor silanize the PDMS chamber to prevent adhesion of hydrogel to the glass coverslip that is bonded to the flexible PDMS membrane with prolonged use of the PDMS chamber
Petri dish, glass	Sigma Aldrich	BR455743	Glass petri dishes for casting PDMS layers for forming PDMS chamber
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS)	Dow Corning	240-4019862	PDMS for fabrication chamber
Glass coverslips (No. 2), 50 x 45 mm	Fisher Scientific	FIS#12-543F	Glass substrates that cover the fabrication chamber
Fisherbrand Straight Flat Tip Forceps 4.75in	Fisher Scientific	FIS#16-100-112	Tweezers for handling polymerized hydrogel layers/devices
Omnicure S2000	Cadence Technologies Pte Ltd	010-00148R	UV lamp
5 mm Adjustable Collimating Adaptor	Cadence Technologies Pte Ltd	810-00042	Collimator for UV lightsource
Photomasks	CAD/Art Services Inc	-	Photomasks used to define hydrogel microstructures
Adobe Illustrator	Adobe	-	Designing of photomasks