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

Resumo

Este projeto permite que pequenos laboratórios desenvolvam uma plataforma fácil de usar para a fabricação de dispositivos microfluidos multicamadas precisos. A plataforma consiste em um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensionalmente usando o qual dispositivos microfluidos multicamadas com erros de alinhamento de < 10 μm foram alcançados.

Resumo

Este projeto visa desenvolver uma plataforma fácil de usar e econômica para a fabricação de dispositivos microfluidos precisos e multicamadas, que normalmente só podem ser alcançados usando equipamentos caros em um ambiente de sala limpa. A parte chave da plataforma é um adaptador de alinhamento de máscara de microscópio impresso tridimensional (3D) (MMAA) compatível com microscópios ópticos regulares e sistemas de exposição à luz ultravioleta (UV). O processo global de criação do dispositivo foi muito simplificado por causa do trabalho feito para otimizar o design do dispositivo. O processo implica encontrar as dimensões adequadas para os equipamentos disponíveis no laboratório e imprimir em 3D o MMAA com as especificações otimizadas. Os resultados experimentais mostram que o MMAA otimizado projetado e fabricado pela impressão 3D funciona bem com um microscópio comum e sistema de exposição à luz. Utilizando um molde mestre preparado pelo MMAA impresso em 3D, os dispositivos microfluidos resultantes com estruturas multicamadas contêm erros de alinhamento de < 10 μm, o que é suficiente para microchips comuns. Embora o erro humano através do transporte do dispositivo para o sistema de exposição à luz UV possa causar maiores erros de fabricação, os erros mínimos alcançados neste estudo são alcançáveis com a prática e o cuidado. Além disso, o MMAA pode ser personalizado para se encaixar em qualquer microscópio e sistema de exposição UV, fazendo alterações no arquivo de modelagem no sistema de impressão 3D. Este projeto fornece aos laboratórios menores uma ferramenta de pesquisa útil, pois requer apenas o uso de equipamentos que normalmente já estão disponíveis para laboratórios que produzem e usam dispositivos microfluidos. O protocolo detalhado a seguir descreve o processo de design e impressão 3D para o MMAA. Além disso, também são descritos os passos para a aquisição de um molde mestre multicamadas usando o MMAA e produzindo chips microfluidos poli (dimetilsiloxano) (PDMS).

Introdução

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.

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Protocolo

1. Projetando o MMAA

1. Obtenha as dimensões da bandeja do sistema de emissão de luz UV disponível para ser o limite superior para as dimensões do porta-wafer (ou unidade de exposição UV) mostradas na Figura 1. Como mostrado na Figura 2A,meça o diâmetro (d) da borda circular interna, a altura interna (h) da bandeja do sistema de emissão de luz UV, a largura total (w) e o comprimento (l) da bandeja.
   NOTA: Como exemplo, o sistema de exposição à luz UV disponível tinha dimensões internas da bandeja de 5 polegadas (") x 5" x 0,25" com um recorte circular de 4". As dimensões do MMAA foram então projetadas para não ser maiores do que as dimensões internas da bandeja para se encaixar adequadamente e sentar-se plana dentro da bandeja do sistema, como mostrado na Figura 2B. Veja a Figura 3 para as peças impressas em 3D do MMAA: wafer de silício revestido de fotoresist e um prendedor para corrigir a configuração no microscópio.
2. Meça o comprimento entre os parafusos no estágio de microscópio vertical disponível que mantém o porta-lâminas no lugar. Além disso, meça a largura dos parafusos. Aplique essas dimensões para personalizar o suporte magnético (Figura 1) para se encaixar no microscópio disponível para permitir a fixação fácil e precisa do MMAA ao microscópio(Figura 4A).
3. Usando um aplicativo de design de computador disponível, personalize o suporte de wafer e o fixador de microscópio magnético para caber dentro das dimensões medidas. Projete a altura, largura e comprimento do porta-wafer não sejam maiores que a altura (h), largura (w) e comprimento (l) da bandeja do sistema de emissão de luz UV. Além disso, inclua o recorte circular na parte inferior do porta-wafer com o mesmo diâmetro (d) da bandeja do sistema de emissão de luz UV. Gerar arquivos STL ou CAD para as duas peças do MMAA a serem utilizadas para impressão 3D do dispositivo (ver Material Suplementar).

2.3D Imprimindo o MMAA

1. Carregue os arquivos STL ou CAD gerados para o software de impressão 3D disponível. 3D-Imprima as duas peças do MMAA seguindo o procedimento adequado para o processo 3D e a impressora utilizada. Complete as peças seguindo as etapas de pós-impressão exigidas (por exemplo, remoção de material de suporte, remoção de resina não curada, etapas adicionais de lavagem ou cura). Alternativamente, use uma instalação de impressão 3D disponível para ter as peças projetadas impressas e concluídas em outros lugares.
2. Certifique-se de que o porta-wafer se encaixa bem e fica liso dentro da bandeja do sistema de exposição à luz UV disponível(Figura 2B). Além disso, certifique-se de que o fixador do microscópio esteja ligado ao estágio do microscópio e possa ser movido facilmente usando os botões que controlam as posições x e y do estágio do microscópio(Figura 4A).
3. Uma vez finalizadas as peças, insira e fixe os ímãs no suporte de wafer e no prendedor de microscópio(Figura 3A),usando super cola ou qualquer outra substância de fixação. Deixe a cola secar antes de testar o sistema.
   NOTA: Se desejar, uma peça de protipo pode ser impressa primeiro usando uma impressora 3D de modelagem de deposição fundida (FDM) para economizar recursos e dinheiro¹⁵. Este protipo pode então ser avaliado para ajuste preciso ao equipamento disponível, e o design pode então ser modificado, se necessário. O dispositivo final pode então ser impresso usando um processo mais preciso (por exemplo, Estereotipografia) para melhor precisão. O dispositivo final também pode ser impresso com um acabamento translúcido para o uso ideal sob o microscópio.

3. Testes experimentais do MMAA

1. Design e impressão das máscaras do dispositivo microfluido com marcadores de alinhamento
   1. Use um aplicativo de design de computador para projetar máscaras fotográficas para o dispositivo microfluido bilayer desejado.
   2. Inclua estruturas adicionais na lateral das estruturas de canais de dispositivos microfluidos que atuarão como marcadores de alinhamento (mais próximos da borda do molde fotomask/mestre) como mostrado na Figura 5A, B. Certifique-se de que há um marcador de alinhamento em cada lado do dispositivo microfluido (para um total de pelo menos quatro). Além disso, certifique-se de que o fotomasco contém uma borda reta que pode se alinhar perfeitamente com a borda reta do wafer de silício.
      NOTA: A maior complexidade da estrutura do marcador de alinhamento permitirá maior precisão de alinhamento das camadas adicionais. Pelo menos, deve ser utilizada uma estrutura transversal simples com medidas de 1 mm x 1 mm(Figura 6A). Um exemplo dos marcadores de alinhamento pode ser visto nos cantos e na borda média inferior da Figura 5A, B, que retratam as máscaras de primeira e segunda camada usadas para gerar um molde mestre de camada dupla.
   3. Imprima as máscaras fotográficas através de um fornecedor comercial ou através de outras instalações acessíveis
2. Criação do molde mestre bicamada usando o MMAA (fotolitografia)
   1. Utilizando técnicas de fotolithografia padrão e instruções do fabricante fotoresistista, crie a primeira camada do molde mestre usando a primeira camada fotomask¹⁶. Use um wafer de silício de 4" com o fotoresist apropriado (ou seja, SU-8) para criar a espessura da camada desejada. Certifique-se de que a espessura da primeira camada seja maior do que as camadas subsequentes para fácil identificação dos marcadores de alinhamento.
   2. Use uma caneta marcadora de cor clara (por exemplo, ouro) para colorir os marcadores de alinhamento da primeira camada nos quatro lados.
   3. Usando as instruções do fabricante fotoresistista, inicie a segunda camada do molde mestre, revestindo o fotoresistista no wafer e realizando o cozimento macio¹⁶. Insira o wafer revestido no porta-wafer do MMAA (Figura 3B) e fixe o wafer revestido no MMAA usando fita.
   4. Conecte o porta-wafer ao microscópio vertical disponível usando o fixador de microscópio magnético(Figura 4A). Mova a posição do MMAA usando os botões x-e-y-direção do estágio microscópio até que um dos marcadores de alinhamento coloridos no wafer esteja em vista através da lente do microscópio.
   5. Insira a máscara de segunda camada no porta-wafer, em cima do wafer revestido(Figura 3C). Certifique-se de que os marcadores de alinhamento coloridos da primeira camada podem ser parcialmente vistos através dos marcadores de alinhamento na máscara fotográfica.
   6. Conecte a máscara fotográfica a um elevador de tesoura (também conhecido como tomada de suporte) através de um dos recortes laterais(Figura 4B) com fita. Use o elevador da tesoura para ajustar a posição de direção z da máscara fotográfica até que ela esteja bem acima do wafer revestido(Figura 3C).
      NOTA: O elevador da tesoura permite um ajuste fino da posição z da máscara fotográfica, pois o elevador da tesoura pode ser usado para mover a posição da máscara anexada na direção z.
   7. Mantendo a máscara fotográfica parada, olhe através da lente do microscópio e identifique os marcadores de alinhamento coloridos da primeira camada sob os marcadores de alinhamento da máscara fotográfica. Use os botões x e y-direção do palco do microscópio para mover a posição do MMAA (Figura 4D). Ajuste a posição do MMAA até que o marcador de alinhamento na máscara seja sobreposto com o marcador de alinhamento colorido na primeira camada(Figura 6A,B) observando a posição dos marcadores de alinhamento através da lente do microscópio.
   8. Aplique cuidadosamente uma ligeira força na máscara fotográfica e use fita adesiva para fixar a máscara fotográfica no lugar em cima do wafer revestido. Retire a máscara fotográfica do elevador da tesoura. Certifique-se de que todos os quatro marcadores de alinhamento na máscara fotográfica estejam alinhados com os quatro marcadores de alinhamento na primeira camada.
   9. Uma vez alcançado o alinhamento, desprende cuidadosamente o suporte do wafer do estágio do microscópio. Insira a placa superior de vidro em cima do wafer e fotomasmask para diminuir a distância entre as duas peças(Figura 1). Coloque todo o suporte do wafer no sistema de exposição à luz UV disponível, conforme mostrado na Figura 4E. Exponha a segunda camada para a intensidade de tempo e luz apropriada, conforme descrito nas instruções do fabricante fotoresistista¹⁶.
   10. Remova o porta-wafer do sistema de exposição à luz UV. Remova o wafer revestido do porta-wafer e retire a máscara fotográfica do wafer. Complete o processamento da segunda camada (por exemplo, pós-cozimento, desenvolvimento e lavagem e seca) conforme as instruções do fabricante fotoresistista¹⁶.
       NOTA: O revestimento exato do spin,cozimento macio, exposição, pós-cozimento e condições de desenvolvimento (tempo, temperatura) variam de acordo com o uso do fotoresist e da espessura da camada desejada. As condições reais e o procedimento de fotolitografia exata devem ser baseados nas instruções do fabricante fotoresistista.
3. Preparação de um dispositivo microfluido usando o molde mestre (litografia macia)
   1. Recupere o molde mestre e fixe-o no meio de uma placa de Petri de plástico de 150 mm x 15 mm com fita adesiva.
   2. Prepare ~15-20 g de PDMS com base nas instruções do fabricante. Coloque o PDMS em uma câmara de vácuo ou deixe descansar até que livre de bolhas. Despeje o PDMS na placa de Petri contendo o molde mestre.
   3. Deixe a placa de Petri com o molde mestre descansar na bancada até que o PDMS esteja livre de qualquer bolha. Coloque a placa de Petri em forno a 65 °C até que o PDMS esteja totalmente curado (pelo menos 3h).
   4. Corte o PDMS para revelar as estruturas do microcanal. Corte o PDMS ao redor das estruturas microcanais em microchips separados e crie os orifícios de entrada e saída para o dispositivo microfluido. Use fita para remover suavemente quaisquer pequenas partículas que possam estar na superfície PDMS.
   5. Complete a fabricação do microchip unindo o chip PDMS ao PDMS ou um slide de microscópio por tratamento de plasma do chip PDMS e do substrato adicional.
4. Determinação do erro de alinhamento
   1. Recupere o molde mestre e use o microscópio vertical para determinar a distância de lacuna (erro de alinhamento) entre a primeira camada e a segunda camada. Faça isso simplesmente medindo a distância pela qual a segunda camada é deslocada e desalinhada da primeira camada nas estruturas microcanais (ver Figura 5D para um exemplo de uma distância de lacuna medida).
   2. Use o microscópio vertical para determinar se o chip PDMS contém paredes de canal retas com bordas claras do dispositivo. Além disso, verifique o chip PDMS para obter possíveis defeitos que possam dificultar a funcionalidade do dispositivo.
      NOTA: A fabricação do molde mestre (seções 3.2 e 3.3) pode precisar ser repetida para obter um erro de alinhamento mais baixo. A prática repetida usando o MMAA é mostrada para melhorar a capacidade do usuário de criar um molde mestre bem alinhado. Além disso, as imagens podem ser obtidas por meio da microscopia eletrônica de varredura (SEM) (Figura 7) para confirmar o erro de alinhamento.

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Resultados

Através da otimização e uso do MMAA (Figura 1),foram fabricados moldes mestres multicamadas com erro mínimo de alinhamento. O MMAA final foi fabricado utilizando o processo de impressão 3D de filamento fundido (FFF)(Figura 2). O processo FFF confere maior precisão às dimensões desejadas do dispositivo. O MMAA é composto por duas peças principais (Figura 3): a peça base e o fixador personalizado. A peça base consiste na ...

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Discussão

O protocolo acima mencionado descreve o procedimento para impressão 3D de um MMAA e o uso do sistema para criar um molde mestre preciso, multicamada, dispositivo microfluido. Embora o dispositivo seja fácil de usar, existem passos críticos dentro do protocolo que requerem prática e cuidado para garantir o alinhamento adequado das camadas de molde mestre. O primeiro passo crítico é o design do MMAA. É essencial ao projetar o MMAA para determinar as medidas exatas para o dispositivo que permitirá um ajuste adequado...

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Materiais

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