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要約

ポリジメチルシロキサン マイクロ流体デバイスに埋め込まれた非長方形断面のチャンネルの作製には、いくつかの方法があります。それらのほとんどは、多段階の製造と広範な配置を含みます。本稿でワンステップ アプローチはポリジメチルシロキサン シーケンシャル ウェット エッチングによって異なる幾何学的な断面のマイクロ チャネルの作製のために報告されます。

要約

ポリジメチルシロキサン (PDMS) 材料は、ソフト ・ リソグラフィー レプリカ成形技術を用いたマイクロ流体デバイスを作製する実質的に悪用されます。カスタマイズされたチャネルのレイアウト デザインは、特定の機能や多くの医学・化学用途 (例えば、細胞培養、バイオセンシング、化学合成と液体処理) でマイクロ流体デバイスの統合パフォーマンスに必要です。成形シリコン基板を用いたフォトレジスト層マスター金型としてフォトリソグラフィによるパターン化アプローチの性格上、マイクロ流路一般と同じ高さを持つ四角形の正規の断面積があります。特定の機能を所有して様々 なマイクロ アプリケーションで実行する、複数の高さやさまざまな幾何学的なセクションを持つチャネルが通常、設計されています (例えばhydrophoresis は使用の連続的なフロー、粒子を並べ替え血液細胞6,7,8,9を分離する)。したがって、いくつかのフォトレジスト層と異なる PDMS のアセンブリを使用して写真平版薄い板のような複数ステップのアプローチを通じてさまざまなセクションを持つチャネルの構築に多大な努力をしました。それにもかかわらず、このような複数ステップのアプローチは、通常、面倒な手続きや広範な計測を関与します。また、試作したデバイスを一貫して実行可能性があります、結果の実験データを予測できない場合があります。計画された単層レイアウトのチャネルにエッチング液を紹介 PDMS シーケンシャル ウェット エッチング プロセスを通じてさまざまな幾何学的な断面を持つマイクロ チャンネルの簡単な作製のため 1 段階のアプローチを開発するここでは、PDMS 材料に埋め込まれます。異なるジオメトリと PDMS マイクロ流路を製造するための既存の方法と比較して、開発された 1 ステップのアプローチは大幅非長方形断面や様々 な高さとチャンネルを作製するプロセスを簡略化できます。その結果、技術は、革新的なマイクロ流体システムの進歩のため加工ソリューションを提供する複雑なマイクロ チャネルを構築する方法です。

概要

マイクロ流体技術では、過去十年にわたってさまざまな化学研究やアプリケーションの本質的な利点のため注目があります。高分子、セラミックス、シリコン材料など今日では、マイクロ流体チップを構築するためのいくつかの材料の使用オプションがあります。マイクロ材料の中で、我々 の知識の限り PDMS は様々 なマイクロ流体研究とその光学的・生物学的粒子、互換性を含む、アプリケーションの適切な素材の特性による最も一般的なもの流体、および非常に小さい生物1,2,3,4,5。このようなポリマー製マイクロ流体デバイス10,を用いた微小電気機械および mechanobiological の研究を容易にする PDMS 材料の表面構造と化学機械的性質を調整ことができますさらに、11,12。設計されたチャネル パターンとマイクロ流体デバイスの製造に関するソフト ・ リソグラフィー レプリカ成形方法は通常から成るそのマスター金型を用いたマイクロ チャネルを作成に適用されます。フォトレジスト露光パターン層とシリコン ウエハー基板12。パターンフォトレジスト層とシリコン ・ ウエハーを使用してアプローチを成形の性格上、マイクロ流路一般と同じ高さを持つ四角形の正規の断面積があります。

最近では、研究者は例えば対処生物医学研究、並べ替えの粒子と細胞 hydrophoresis を使用して、血液の血漿を分離することでチャンネルのマイクロ流体チップを用いた白血球細胞を豊かに大きな進展をもたらし高さを変えたり、幾何学的なセクション6,7,8,9。このような並べ替えおよび医用マイクロ流体システムの機能を分離することは、さまざまな幾何学的なセクションとチャンネルのカスタマイズによって実現されます。いくつかの研究は、様々 な高さや非長方形断面の特定の表面パターンを持つマスター金型をでっち上げることによって異なるジオメトリ フィーチャーの断面をもつマイクロ チャンネルの製造に専念されています。金型製作に関するこれらの研究には、多段階露光、フォトレジスト リフロー、グレイ スケール露光13,14,15のような技術が含まれます。必然的に、既存のテクニックは、ない精巧なマスクまたはマイクロ チャネルの対応する製造の複雑さのレベルを高めることができる実質的に多段階製造プロセスで正確なアライメントを含まれます。これまでのところ、いくつかの試みは、様々 なセクションのマイクロ チャネルのシングル ステップ製造工程で行われているが、それぞれのテクニックが高いチャンネル16の特定の断面形状に制限。

過去二十年以上 PDMS を製造する成形方法に加え様々 なセクションで、エッチングによるパターンの幾何学的特徴と PDMS チャンネル技術マイクロ流路となっているの様々 な選択の作製マイクロ アプリケーション。例えば、PDMS ウェット エッチングは再構成臓器レベル肺機能17マイクロ流体システムの空気圧作動させた細胞培養デバイスを構築するため接合多層 PDMS と共に利用されます。一緒に 3 D PDMS マイクロニードル アレイ18を製造するための対策支援システムで加工円筒マイクロウェルの PDMS 鋳造 PDMS ぬれたエッチングの技術を採用します。マイクロ電気機械アクチュエーター19,20の部分として PDMS 微細構造を作る PDMS ドライ エッチングされます。設計された細孔レイアウトと PDMS 膜、ドライ エッチング プロセス21を製造します。ウェットとドライ エッチング技術の両方は、指定された幾何学図形22PDMS 薄膜のパターニングに統合できます。

ただし、PDMS を形成するエッチング技術チャネル図形がマイクロ加工での本質的な制限があるため一般的に適用されていない複雑な断面構造です。まず、さまざまなセクションのマイクロ チャンネルを作成する化学物質の層流を利用した PDMS ウェット エッチングの技法が確立されている後続チャネル セクションの形成、まだ基本的な特性のため等方性エッチングの23を処理します。また、PDMS ドライ テクニック20をエッチングを用いたマイクロ流体作製でチャネル セクションのジオメトリを制御するための合理的な空間と思われる、にもかかわらず必要なエッチング時間は、(時間) の面であまりにも長いことマイクロ流体チップ製造のための実用的。また、PDMS 材料と対応するマスキングとエッチング選択性フォトレジスト層は一般的に少ない可能性があり、チャンネルの結果エッチング深さは、したがって、ない許容20。

本稿では、(以下、SWEP) PDMS 連続湿式エッチング法によって異なる幾何学的な断面のマイクロ チャンネルを作製するワンステップ アプローチを開発します。SWEP は、シングル層チャネルと PDMS マイクロ流体デバイスで始まります。チャンネルの各種レイアウト設計と、順次エッチング プロセスによって異なる幾何学的セクションの様々 な種類のマイクロ チャンネルを加工を実現できます。シーケンシャルのエッチングには、PDMS 材料に埋め込まれた計画の単層レイアウトの特定のチャネルに導入されることによるエッチングのみ必要があります。従来の PDMS 作製プロセスと比較して、SWEP では非長方形断面のマイクロ チャンネルを作製する 1 つのそれ以上のステップまたは様々 な高さだけ必要です。提案された SWEP は、上記の方法でプロセスを大幅に合理化の流れの方向に沿ってさまざまなセクションとマイクロ チャンネルを加工の簡単な簡単な方法を提供します。

プロトコル

1 単層チャネル レイアウトとマイクロ流体デバイスの作製

注意: 本稿でソフト ・ リソグラフィー法3さまざまなセクションを持つチャネルを製造する方法をデモンストレーションする PDMS 素材で作られたマイクロ流体デバイスを製造するため採用しています。

  1. マスター用金型設計を持つトポロジ機能と PDMS レイヤーの作成
    1. シーケンスの単一プロセスをエッチングまたはエッチング用 PDMS のレイヤーのチャンネル レイアウトを設計します。
    2. コンピューター支援の描画プログラムを使用して設計された PDMS レイヤーの反転トポロジ フィーチャをスケッチします。
    3. パターン化されたフォトマスク印刷透明24チャンネル レイアウトの精度の高い逆トポロジ機能を取得するフォトリソグラフィ機能にスケッチ ファイルを提供します。
    4. イソプロピル アルコール (2-プロパノール (IPA)、≥ 99.9%)、アセトン (プロパン-2-1、≥ 99.5%)、およびバッファー酸化エッチング (BOE、NH4F:HF (v/v) = 6:1) ほこりや残渣を削除し、汚染を避けるために 4 インチ シリコンのウエハの表面に。
    5. 最終研磨用シリコンウェハーを洗浄する約 500 mL の脱イオン水を使用し、すすぎのウェハを乾燥する窒素ガスを適用します。
    6. ウェハに約 20 g のポジ型フォトレジストを配置します。スピン コートで 15 秒の 500 rpm と 2,000 rpm 30 ウェハ厚み約 75 μ m のフォトレジスト層を生成する s。
      注: 異なるフォトレジスト膜厚を実現できます負のフォトレジストを使用して異なるスピン コーティング、ベーキング、開発条件と異なる品番のユーザー マニュアル25,26によると。
    7. ホット プレート 3 分の 65 ° C で、その後 9 分間 95 ° C に加熱することによってウェハを焼くソフト。
    8. マスクとしてパターンの透明性と共にフォトマスク アライナ マシンにステップ 1.1.3 からのウェーハを入れてください。
    9. アライナ マシンで透明度によって覆われたウェーハを公開する 300 mJ/cm2の紫外線 (UV) を適用します。
    10. 紫外線への暴露, 後露光後ベーク (PEB) として 2 分の 65 ° C で、その後 7 分の 95 ° C のホット プレートにウェハを配置します。
    11. 能の両面、強く否定的なトーンの現像浸漬したウェーハを扇動したり、7 分用の超音波洗浄槽 (37 kHz、180 W の有効電力) に浸漬のウェハを配置します。
    12. ウェハー表面に残りすべての開発者を排除するためにイソプロピル アルコールを再び全体のウェーハをクリーンします。
    13. 防ぐために、接合、silanize 6 cm、デシケータでシャーレに一緒に 100 μ L (1H, 1H, 2H, 2H- ペルフロロオクチル トリクロロシラン) 97% シランのウェハを置くことによってウェハの表面望ましくないです。
    14. 織ってを真空ポンプに接続し、760 mmHg で真空圧力を設定します。
    15. 次に、15 分スイッチ オフ、それと 30 分デシケータで真空の残りの部分にウェーハを残すためポンプを回します。
      注意: 蒸着シランは人間に非常に有害であります。従って、ウェハ全面表面パッシベーションは発煙のフードで遂行する必要があります。
    16. 表面不活性化を受けていたシラン処理ウェーハをフェッチします。15 cm ペトリ皿それ以上の使用のためのウェハを修正します。
      注: パターン付きウェハとして使用する金型設計チャンネル レイアウトを複製する反比例 PDMS 材料によって準備ができてです。
  2. 金型反転トポロジを複製することによって PDMS チャンネル レイアウトの作製
    1. 清潔で使い捨てのプラスチックのカップに 10:1 の体積比に対応する触媒 (硬化剤) と共に基本 PDMS (単量体) を置きます。
    2. 電力攪拌による均一 (からステップ 1.2.1) PDMS のプレポリマー混合物をミックスします。
    3. PDMS の混合物で、閉じ込められた気泡を削除する 60 分の真空ポンプに接続されたデシケータにカップを置きます。
    4. 20 g (セクション 2) またはデザイン チャンネル レイアウトの反転トポロジ機能 (手順 1.1 製) マスター金型上に PDMS プレポリマー混合物の (セクション 3) 8 g を注ぐし、t を使用して、PDMS 材料に埋め込まれた任意の泡を除去(60 分) の彼のデシケータ。
    5. シリコーン系液状プレポリマー材料を治す 4 h の 60 ° C のオーブンで PDMS の混合物を運ぶ金型を置きます。
    6. 約 20 分室温に PDMS と共にウェーハを冷却した後メスとピンセット型から硬化した PDMS をデタッチします。
    7. 戸建 ㎡ (約 6 × 6 cm2セクション 2 または 2 x 7.5 cm2セクション 3) PDMS レイヤー メスを使用してチャネル全体のレイアウトを調整します。
    8. チャネル アクセス ポート (入口および出口) を作成するには、直径 1.5 mm の生検パンチを使用します。
      注: 番号、入口と出口の位置は特定のマイクロ チャンネルを加工のためのエッチング プロセスに基づいて設計されています。
    9. シャーレに PDMS プレポリマー混合物の 30 グラムを注ぐし、織って (60 分) を使用してによって PDMS 材料に埋め込まれた任意の泡を除去します。
    10. プレポリマー液剤を治すため 4 時間以上 60 ° C のオーブンで PDMS の混合物を運ぶペトリ皿を置きます。
    11. 約 20 分室温に PDMS と一緒にシャーレを冷却した後メスとピンセットをお皿から硬化 PDMS をデタッチします。
    12. メスを使用すると、前述の PDMS 層 (約 6 × 6 cm2セクション 3 のセクション 2 または 2 x 7.5 cm2 ) と同じ寸法に特徴なし戸建 PDMS レイヤーを調整します。
    13. 90 W で 40 のための表面処理機で酸素プラズマ トップ PDMS 材料を公開することによって設計されたチャネル レイアウトと特徴なし (手順 1.2.7 と 1.2.12 製) 両方の PDMS 層の表面をアクティブに s。
    14. ボンド 2 PDMS 層することによって酸素プラズマ表面活性化の直後に扱われた表面の接触。その後、30 分以上 60 ° C のオーブンで結合の PDMS 層を残します。
      注: オーブンで結合の PDMS 層を残しての時間上限はありません。
    15. 2 結合後 PDMS 層は冷却した、後で実験のセットアップのために製造された装置から過剰の PDMS 材料をトリムします。

2. さまざまなセクションの PDMS マイクロ チャンネルを加工するワンステップ アプローチ

ウェット エッチング速度、PDMS を特徴付けるメモ:、長方形の単層膜及びストレート チャンネルとマイクロ流体デバイスが実験の特定の設定に対応する特定のエッチング速度を識別するために悪用するのに示唆されました。

  1. PDMS の実験的評価ウェット エッチング
    1. 1-メチル-2-ピロリジノン (NMP): v の割合でフッ化テトラ-n-(TBAF、テトラヒドロ フラン (THF) 中 1 M 溶液) を混合することによって準備エッチング液 = 1:10。
      注: NMP は、腐食液による化学残余を効率的に溶かすことができます。一般に、PDMS 材料は、NMP でわずかに腫れている、PDMS マイクロ流体デバイスは, ボリューム、形状を保持し、条件をシールすること。
    2. ステンレスの鈍い針 (16 G) に接続されている 10 mL 注射器に混合 TBAF/NMP 腐食液を描画します。
    3. シリンジ ポンプをチャネル内の流体の圧力駆動型のコント ローラーとして設定します。
    4. 上記の単純なデバイスのチャネル ポートにエッチング液で満たされた注射器の鈍針を接続し、廃棄物コンテナーに管の図 1に示すように、コンセントからそれぞれポートをガイドします。
    5. 運ぶ、PDMS を特徴付けるための 150 μ L/分の流量で混合 TBAF/NMP エッチング液を含む注射器シリンジ ポンプ ウェット エッチングを実行します。
    6. 明視野顕微鏡ビューを使用し、流れ方向エッチング チャネルしたがって、腐食液の混合比がボリュームを確認するため、均一の幅とエッチング液の流量が適切かどうかを確認します。
    7. チャンネルの時系列画像をキャプチャ PDMS エッチング プロセスの間に 4 倍の倍率で倒立顕微鏡断面。
    8. ウェット PDMS 材料のエッチング時にチャネル幅の数値の時系列を収集する画像処理プログラムの 2次元解析における基本的な測定機能を適用することによって、保存した画像を分析します。
    9. 図 2チャネル幅の変更の 50% を割ることのような方程式を時間シリーズ用エッチング レートを評価 (ΔW /2) PDMS エッチング (t) の時間で。
    10. 全体を推定する収集されたデータ ポイントの線形回帰分析を行う混合比 1:10 PDMS 材料を図 2に示すように、特定のボリュームを持つ混合 TBAF/NMP 腐食液のエッチング速度。
  2. PDMS シーケンシャル濡れているさまざまな幾何学的なセクションのマイクロ チャンネルを加工のためのエッチング
    1. 単層 PDMS チャンネル レイアウト対応するエッチング プロセス シーケンスでは、図 3に示すように、断面形状の異なる特定のチャネルの種類を作製することができますので、サービスを提供するためエッチング液口の配置を設計します。
    2. 2.1.1 - 2.1.7 PDMS ウェット エッチングのアプローチのための手順に記載されている手順に従います。
      注: 流量は 50 μ L/分として設定されます。
    3. TBAF/NMP 腐食液が流れていない泡、腐食液、腐食液、漏洩によるいくつかの化学残余の残りの顕著な量など重大な問題が存在するかどうか参照してくださいに顕微鏡下でエッチングのチャンネルかを調べますや傾斜面の腐食液の流れ。
    4. 倒立顕微鏡によるマイクロ チャネルの壁厚の変化を観察、適切なチャネル形状が達成されることを確認するプロセスをエッチング ウェットの時間します。

3. マイクロ ミキサーの設計

注: 2 異種流体を混ぜることができます効率的にマイクロ ミキサーの設計は、異なるセクションを持つマイクロ チャンネルの有利なアプリケーションを表示するここで説明です。

  1. 別のチャネル セクションでマイクロ ミキサーの製作
    1. 成形技術 (セクション 2) ソフト ・ リソグラフィー レプリカによって図 4に示したデザインの単層マイクロ流路付き PDMS 装置を作る。
    2. 単層マイクロ チャンネル レイアウト図 4に 20 μ L/分の流量で「アウトレット」としてマークされているポートから 2.1.1 の手順で説明されている手順に従うことによって準備 TBAF/NMP エッチング液を紹介します。
    3. 顕微鏡でマイクロ チャネル壁厚変化を観察し、ウェット エッチング プロセス図 5で表される適切なチャネル形状を達成を確保するための時間します。
  2. マイクロ ミキサーの実験的評価
    1. 代替パターンで異なる図形のセクションとマイクロ流路を実現した後ポンプ 2 異種液フルオレセイン ナトリウムの溶液を含む 50 μ G/ml の濃度を塩、2 別々 のチャネル 20 μ L/分に蒸留水流量。
    2. A としてマーク位置平面図で蛍光チャネルの顕微鏡画像を取る、B、C、および D (エッチング) 前に制服と異なる 2 ミキサー用倒立顕微鏡 (4 倍) の下で幾何学的なセクション (の後で SWEP の 2 h)、それぞれ (図 6)。
      注: 蛍光顕微鏡画像は、5 分、ミキサ チャネルを通して混合の始まりの瞬間からカウントの時点で、安定したフローが発生されます。
    3. 対応する混合混合残して定義される効率番号を推定する画像処理プログラムを使用して、キャプチャされた蛍光画像を分析 (氏、0.5 = 純粋な 0 = 完全に混合) 次方程式27,28:
      figure-protocol-6605
      ここは
      tはエッチング時間です。
      Lは興味の特定の位置にあるチャネル幅です。
      Sは、線分の位置、海峡を渡ると
      私はt S以上蛍光強度分布です。
    4. 海峡を渡るS以上蛍光強度分布をプロットとしてマーク位置で B、C、および D (エッチング) 前に制服と異なる 2 ミキサーの幾何学的なセクション (の後で SWEP の 2 h は)、それぞれ。図 6に示すように、対応する氏を推定します。

結果

最近では、研究の数が多いされてきたさまざまなセクションのチャンネル マイクロ流体デバイスの作製リソグラフィ レプリカ13,14,15とエッチング技術17 PDMS を成形,18,19,20,21

ディスカッション

過去十年にわたってマイクロ流体システムを提供している化学と生物医学研究のための実験プラットフォームをできる有望な手段構築体系的に1,2,3,4、 5。プラットフォームも体外細胞研究6,7,を介して微小環境の...

開示事項

著者申告するものがあります。

謝辞

著者より感謝する革新的な研究助成金 (IRG) (EX106-10523EI)、台湾省、科学技術の下で台湾の国立健康研究所 (NHRI) によって提供されるサポート (最も 104-2218-E-032-004、104 - 2221 -E-001-015-MY3、105-2221-E-001-002-MY2、105-2221-E-032-006、106-2221-E-032-018-MY2)、アカデミア シニカ キャリア開発賞。著者は、原稿の校正に恒華 Hsu を感謝したいです。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
1-Methyl-2-PyrrolidinoneTedia, Fairfield, OHME-1962NMP
10 ml SyringeBecton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ302151
150 mm Petri dishDogger ScienceDP-43151
1H,1H,2H,2H- PerfluorooctyltrichlorosilaneAlfa Aesar, Ward Hill, MAL1660697 % silane 
4'' Silicon Dummy WaferWollemi Technical, Taoyuan, Taiwan-
AcetoneECHO Chemical, Miaoli, TaiwanAH3102-000000-72EC
AG Double Expose Mask AlignerM&R Nano Technology, Taoyuan, TaiwanAG500-4D-D-V-S-H
Biopsy PunchMiltex, Plainsboro, NJ33-31
Blunt NeedleJensen Global, Santa Barbara, CAGauge 16
Buffered Oxide EtchECHO Chemical, Miaoli, TaiwanPH3101-000000-72EC
DesicattorA-VAC Industries, Anaheim, CA35.10001.01
Fluorescein Sodium Salt WaterSigma-Aldrich Co., St Louis, MOF6300
ImageJNational Institutes of Health, Bethesda, MDVer. 1.51Imaging Processing Program 
Inverted Fluorescence Microscope Leica Microsystems, Wetzlar, GermanyDMI 6000 B
Isopropyl Alcohol (IPA)ECHO Chemical, Miaoli, TaiwanCMOS112-00000-72EC
Leica Application Suite Leica Microsystems GmbHLAS X
MATLABMathWorks, Natick, MAR2015bProgramming for MR evaluation
Mechanical Convention OvenThermoFisher Scientific,Waltham, MALindberg Blue M MO1450C
Plasma Tretment SystemNordson MARCH, Concord CAPX-250Oxygen plasma surface treatment
Polydimehtylsiloxane (PDMS) Dow Corning, Midland, MISYLGARD 184
Polyethylene TubingBecton-Dickinson and Company, Sparks, MD427446PE 205, 10'
Spin CoaterELS Technology, Hsinchu, TaiwanELS 306MA
Negative Tone Photoresist MicroChem, Westborough, MASU-8 2050
Negative Tone Photoresist DeveloperMicroChem, Westborough, MAY020100SU-8 Developer
Surgical BladeFeather, Osaka, Japan5005093PDMS cutting
Syringe PumpChemyx, Houston, TXFusion 400
Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF)Alfa Aesar, Ward Hill, MAA10588

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