スリット細孔形状におけるキャピラリー橋の製作と可視化

要約

スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。毛細管橋の作成は、流体を固定する指向性物理的および化学的不均一性を提供するために、柱の形成に依存しています。 毛細管橋はマイクロステージを用いて形成され、操作され、CCDカメラを用いて可視化される。

要約

スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。高アスペクト比疎水性ピラーは、その上面親水性をレンダリングするために製造され、機能化されています。物理的特徴(柱)と化学的境界(柱の上部にある親水性フィルム)の組み合わせは、三重接触線をピン止めする物理的および化学的不均一性を提供し、安定した長くて狭い毛管橋を作成するために必要な特徴である。柱が付いている基質はガラスのスライドに取付けられ、カスタムのホールダーにしっかり止められた。ホルダーは4軸マイクロステージに取り付けられ、柱が平行で互いに向き合うよう配置されます。毛細管橋は、対向する柱の分離が数百マイクロメートルに減少した後、2つの基板間の隙間に流体を導入することによって形成される。カスタムマイクロステージは、毛細管橋の高さを変化させるために採用されます。CCD カメラは、流体インターフェイスの形態を特徴付けるために、キャピラリー ブリッジの長さまたは幅をイメージするために配置されます。幅が250μmまで、長さが70mmまでの柱がこの方法で製作され、100¹以上のアスペクト比(長さ/幅)を持つ毛細管橋につながっています。

概要

毛細管橋によって引き起こされる形状および結果の力の研究は、広範な研究^2-7の対象となっている。当初、ほとんどの努力は、そのシンプルさのために、軸対称毛細血管橋に焦点を当てていました。粒状および多孔質媒体^8,9に見られるような自然システムで発生するキャピラリー橋や、フリップチップ技術^10〜15 の毛細血管自己集合化などの技術的用途に用いられた橋は、相互作用面上の不均一な湿潤特性と非対称である。改良されたリソグラフィ技術と、流体インタフェースをモデル化するための簡単な数値ツールのアクセシビリティを組み合わせて、複雑さを増すキャピラリー橋梁の作成とモデリングを可能にします。

スリット孔幾何学のキャピラリー橋は興味深い妥協点を提供する:方向湿潤特性は、いくつかの対称面を保持する非軸対称橋につながる(解析を簡素化する)。多孔質メディアのケーススタディとして理論的・数値的に研究されている。しかし、スリット孔幾何学における毛細血管橋の体系的な実験的研究は限られている。ここでは、スリット細孔ジオメトリで毛管橋を作成し、特徴付ける方法を紹介します。簡単に言えば、この方法は、1)化学的および物理的な異質性を作成するための柱の製造、2)橋を整列して操作するためのマイクロステージの設計、および3)毛細血管橋の画像化が前面または側面からそれらの形態を特徴付けるから成っている。ブリッジ形態の特性評価とサーフェス・エボルバ・シミュレーションとの比較は、別のパブリケーション¹で提供されています。

プロトコル

プロトコルテキストは、3つの主要なセクションに分かれています:1)PDMS(ポリジメチルシロキサン)柱の製造、2)柱の上部の機能化、および3)毛細血管橋の形成と特性化。

1. PDMSピラーの製作

このセクションでは、シリコン/SU-8型を使用したダイカストを用いたPDMSピラーの製造について詳しく説明します。

1. シリコン/SU-8金型の製造
   1. パイレックスペトリ皿にシリコンウエハーにクリーン4を入れます。
   2. 4:1(体積)で硫酸を過酸化水素(ピラニア)溶液に別のビーカーで調製します。
      注: ピラニア溶液の調製と使用には細心の注意が必要です。反応は非常に発熱性であり、保護された手袋はビーカーを扱うために要求される。ピラニアは有機物と激しく反応します。ピラニア溶液を処分する前に室温まで冷まします。ウエハを皿に沈めるのに必要な十分な溶液を用意してください。
   3. ピラニア溶液をシリコンウェーハにゆっくりと注ぎ、完全に水没させます。15分間座ってみましょう。
   4. ペトリ皿からウエハーを取り出し、流れの下で洗い流す:2分間脱イオン(DI)水、30秒間エタノール、30秒間アセトン、窒素で乾燥した。
      注: アセトンからの残留物が問題である場合は、IPA を使用して追加のリンスを使用することをお勧めします。
   5. 150°Cのホットプレートでウエハーを15分間乾燥させます。
   6. ホットプレートから取り出し、室温まで冷まします。
   7. スピンコートSU-8 2002をウエハの表面に500rpmで40秒間塗布した。
   8. 2ステップのスピンコータープログラムでウエハーにスピンコートSU-8 2050。ステップ1:500rpmで40秒。ステップ2:1,500 rpmで1分。
   9. スピンコーターからウエハーを取り出し、予熱ホットプレート(65°C)に10分間置きます。
   10. 室温まで冷ましてから、ウエハーの上にマスクを置きます。
   11. 紫外線ランプの下に置き、200ワットで30秒間露出する。
   12. マスクを外し、予熱ホットプレート(95°C)にウェハを10分間置きます。
   13. SU-8現像液に入れ、露出していないSU-8がすべて取り除かれるまで軽く攪拌します。その後、イソプロピルアルコールの流れで30秒間すすいで、窒素で乾燥させます。
   14. 加熱されたホットプレート(95°C)を30分間置き、最後のハードベークを行います。
2. PDMSピラーのダイキャスト
   1. PDMSシルガード-184塩基の10:1質量比をビーカー中の硬化剤に激しく混ぜ合わせます。
   2. すべての気泡がなくなるまで真空チャンバー内のドガPDMS。
   3. セクション1.1で作製した金型をプラスチック製の計量皿の大きな4に入れ、PDMSを注ぎます。
   4. PDMSとカビで皿を真空チャンバーに戻します。すべての泡がなくなるまで再びドガ。
   5. 皿全体をオーブン(75°Cに予熱)に2時間以上置きます。その後、室温まで冷まします。
   6. PDMSから皿を切り取り、シリコンウエハからまっすぐカミソリの刃でPDMSを切り取ります。
   7. バルクから柱でPDMS領域を切り取り、きれいなペトリ皿に保管します。

2. 柱の頂点の機能化

この3段階のプロセスは、まずシリコンウエハー上の金膜の蒸発を伴い、続いて金膜の転写リソグラフィー¹⁶ をPDMSピラー(セクション1で作製)に移し、最後に自己組み立て単層を用いた金膜の機能化を含み、それを親水性にレンダリングする。

1. インプリント転写リソグラフィ用シリコンウエハ上の金の製造
   1. ガラスカッターを使用して、円形シリコンウエハース4を4つの等しいサイズの部分にサイコロ化します。注: ウェーハはステップ 1.1.2-1.1.4 を使用して清掃し、再利用することができます。
   2. 20nmの金をシリコンウエハーに直接蒸発します。
   3. 下のセクション3が完了するまで、ウエハを蒸発チャンバー(またはデシケータ)に残します。これにより、ウエハはできるだけ清潔に保ちます。
   4. 8 μl:20 ml(3-メルカプトプロピル)-トリメトキシシラン(MPTS):トルエン溶液をきれいなガラスバイアルで調製します。
   5. 16 mM塩酸(HCl)を清潔なビーカーに200ml用意します。
   6. プラズマ反応器に金膜を入れたウエハーを入れます。
   7. 酸素プラズマを使用して、300 mTorrの圧力でウェハを洗浄し、50Wの電力を10分間洗浄します。
      注:この手順では、家庭用プラズマ原子炉を使用しました。
   8. ウエハーを200個の証拠エタノールでいっぱいのパイレックスペトリ皿に少なくとも10分間入れます。
      注: このステップは酸素の血色によって金の上に形成される不安定な酸化物を除去するために行われる。
   9. ウエハをエタノールですすい、窒素で乾燥させます。
   10. MPTS溶液をウエハーに500 rpmで30秒間スピンコートし、続いて2,750 rpmで1分間に塗布します。
       注: MPTS は PDMS とゴールド層¹⁶の間の接着層として使用されます。
   11. スピンコーターからウエハーを取り出し、エタノールの流れの下ですすります。その後、DI水ですすい、窒素で乾燥させます。
       注:シリコンウエハから金層の剥離を避けるために、穏やかにすすい。
   12. ウエハーを十分に水没させるのに十分な16 mM HCl溶液を含むパイレックスペトリ皿にウエハーを入れます。HClに少なくとも5分間放置します。
       注: 金が剥がれないように、溶液にそっと入れて下さってください。
       注: これは PDMS とゴールド層¹⁶の間の接着性を改善するために行われます。
   13. HCl溶液からウエハを取り出し、窒素で乾燥させます。
       注:このステップが完了した後、ウェーハは15〜20分以下で使用する必要があります。
2. ウエハーからPDMSピラーへの金の転写リソグラフィー
   1. 25 mm x 75 mm ガラススライドを各 PDMS サンプルに 1 枚用意し、エタノール、DI 水、窒素で拭き取ります。
   2. PDMSピラーをプラズマチャンバーに設置し、300 mTorrの圧力と30秒間の50 Wの電力で酸素プラズマを実行します。
      注:PDMSを酸素プラズマに過度に曝露すると、ひび割れが発生します。それに応じてプラズマの状態を調整します。
   3. PDMS基板の背面を、それらに光圧を加えることによって、きれいなガラススライドに結合します。ガラススライドは、PDMSピラーの操作とステップ3で説明したデバイスへの取り付けを容易にします。
   4. ガラス支持PDMS基板を裏返し、MPTS機能性の金フィルムに柱を押し下げる(ステップ2.1)。最初は適度な圧力を加え、ガラススライドに重量(約100g)を加え、コンフォーマルコンタクトを確実にします。
   5. 基板をシリコンウェーハに接触したまま少なくとも12時間放置します。
   6. PDMS基板をウェハから分離します。PDMS基板が貼り付けられている場合は、ストレートカミソリブレードを使用して、ウエハーのPDMSの端を慎重にこじ込みます。
   7. この時点で、均一な金色フィルムがPDMSピラーの上部に存在する必要があります。光学顕微鏡を使用して、金フィルムにひびが入っていないか、柱に沿って欠けている部品がないことを確認します。
3. PDMSピラーの上部にある金の機能化
   1. ジメチルスルホキシド(DMSO)に十分な1 mMのメルカプトヘキサデカン酸(MHA)を準備し、PDMSピラーの上に金を完全に沈めます。
      注: DMSO は、低 PDMS の膨張因子¹⁷に使用されます。
   2. PDMS基板をMHA溶液に入れ、少なくとも24時間そこに保管してください。
   3. MHA溶液から基板を取り出し、DI水ですすいで、窒素で乾燥させます。
   4. 真空チャンバー(圧力<25°Cで100 mTorr)に少なくとも12時間置きます。

注: 機能化プロセスが成功したことを確認するために、ステップ 2 を PDMS のバルク部分(柱なし)で実行でき、濡れ角度はゴニオメーターでテストできます。MHA金フィルムは、それぞれ<15°および〜0°の水接触角を進め、後退させる必要があります。¹⁸

3. 毛細管橋の形成と特徴付け

このセクションでは、2つの基板間に液体ブリッジを導入し、その後、異なる高さと流体量でのイメージングを介してその特性評価を導入する方法を詳しく説明します。

1. 2つの柱の基材(ステップ1-2で作られた)を使用して、1つを上に、もう1つを底部ホルダーに置きます。サイドテンションねじを使用して基板を固定します。
   注: デバイスの詳細については 、図 1 と代表的な結果を参照してください。
2. 上部基板が底基板よりほぼ上になるように、上部基板ステージをブレッドボードに取り付けて装置を組み立てる。2 本の向き合う柱の高さを約 1mm に下げます。
3. ラフアライメント:下部の基板ステージのx、y、および回転ノブを使用して、2つの基板のゴールドストリップを(目で)整列させ、平行になるようにします(上部基板を通して上を見下ろす)。
4. 微調整: PDMS ピラーの長さを見下ろすためにカメラを配置します。コンピュータ画面上のライブカメラフィードを使用して、さらに柱が平行になるように底基板の位置を調整します。
5. カメラをデバイスの反対側に移動し、ステップ 3.4 を繰り返します。
6. 上柱が下柱に接触するまで(ライブカメラフィードを使用して)2本の柱の間の分離を減らします。デジタルマイクロステージをゼロにします。これは、0の細孔の高さとして定義されます。
7. 細孔の高さを約200μmに増やします。
8. 80%のグリセロール、20%の水溶液の1〜5 μlでシリンジを調製します。注射器の端に30Gの針を取り付け、気泡が針の中に閉じ込められないようにします。
   注: 水/グリセロール混合物は、実験中の蒸発を減らすために使用されます。水も使用できます。
9. メカニカルクランプでシリンジxyz変換段階にシリンジを取り付けます。
10. 注射器の位置決め段階でマイクロメーターを調整して、針がスリットの細孔に収まるようにします(柱の長さに平行)。
11. 上部と下部の表面が針にそっと接触するように、スリットの細孔の高さを下げます。これにより、液体が両方の表面に触れ、キャピラリーブリッジを自発的に形成します。
12. 注射器からスリットの細孔にゆっくりと液体を分配します。
13. シリンジの位置決め段階でマイクロメーターを使用して、スリットの細孔から針を取り除きます。
    注: この時点で、スリット細孔の高さを変更し、液体ブリッジをイメージすることができます。
    注: 画像はオープンソースソフトウェアパッケージ ImageJ で分析できます。

結果

実験装置の説明

実験装置は、4つの主要な部分に分けることができます:1)トップ基板ステージ、2)底基板ステージ、3)注射器/シリンジxyz変換段階、4)カメラ/光学とカメラホルダー。各詳細は以下のとおりです。

1. トップ基板ステージ。 デジタル変換ステージは、カスタム加工コネクタピースを介してPシリーズ取り付けクランプに取り付けられます。取?...

ディスカッション

ここで示す方法は、スリット細孔幾何学で毛細血管橋を作成する方法と、これらの橋梁の形態を解析し、シミュレーションや理論と比較できるようにイメージングする方法を提供します。

この方法は、非対称湿潤特性を作成するために、物理的な救済だけでなく、選択的な化学的パターニングを組み込んでいます。化学不均一性のみが存在する場合、接触角度が濡れの?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
99.999% Gold wire	Kurt J. Lesker	EVMAU40040
Acetone	Pharmco-AAPER	C1107283
Dimethyl sulfoxide	Fisher	D128-500
Ethanol (200 proof)	Pharmco-AAPER	111000200
Hydrochloric acid	EMD	HX0603-4
Hydrogen peroxide (30%)	EMD	HX0635-3
Isopropyl alcohol	Fisher	L-13597
Mercapto hexadecanoic acid (90%)	Sigma-Aldrich	448303-1G
Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS)	Gelest	Sim6476-O-100GM
Milli-Q DI water	Millipore	Milli-Q
Nitrogen (gas)	Airgas	UN1066
Oxygen (gas)	Airgas	UN1072
Silicon wafers (4 in)	WRS Materials	CC8506
SU-8 2002 (negative photo resist)	MicroChem	SU82002
SU-8 2050 (negative photoresist)	MicroChem	SU82050
SU-8 Developer solution	MicroChem	Y020100 4000L1PE
Sulfuric acid	J.T. Baker	9681-03
Poly dimethy sulfoxide (PDMS)	Dow Corning	Sylgard -184
Toluene	Omnisolv	TX0737-1