Progettazione e sviluppo di un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente per la fabbricazione di dispositivi microfluidici multistrato

Riepilogo

Questo progetto consente ai piccoli laboratori di sviluppare una piattaforma di facile utilizzo per la fabbricazione di precisi dispositivi microfluidici multistrato. La piattaforma è costituita da un adattatore di allineamento della maschera per microscopio stampato tridimensionalmente utilizzando il quale sono stati realizzati dispositivi microfluidici multistrato con errori di allineamento di < 10 μm.

Abstract

Questo progetto mira a sviluppare una piattaforma facile da usare ed economica per la fabbricazione di dispositivi microfluidici precisi e multistrato, che in genere possono essere raggiunti solo utilizzando attrezzature costose in una camera bianca. La parte fondamentale della piattaforma è un adattatore di allineamento della maschera per microscopio (MMAA) stampato tridimensionalmente (3D) compatibile con i normali microscopi ottici e sistemi di esposizione alla luce ultravioletta (UV). Il processo complessivo di creazione del dispositivo è stato notevolmente semplificato a causa del lavoro svolto per ottimizzare il design del dispositivo. Il processo prevede la ricerca delle dimensioni corrette per le apparecchiature disponibili in laboratorio e la stampa 3D dell'MMAA con le specifiche ottimizzate. I risultati sperimentali mostrano che l'MMAA ottimizzato progettato e prodotto dalla stampa 3D funziona bene con un microscopio comune e un sistema di esposizione alla luce. Utilizzando uno stampo master preparato dall'MMAA stampato in 3D, i dispositivi microfluidici risultanti con strutture multistrato contengono errori di allineamento di < 10 μm, che è sufficiente per i comuni microchip. Sebbene l'errore umano attraverso il trasporto del dispositivo al sistema di esposizione alla luce UV possa causare errori di fabbricazione più grandi, gli errori minimi raggiunti in questo studio sono raggiungibili con pratica e cura. Inoltre, l'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando modifiche al file di modellazione nel sistema di stampa 3D. Questo progetto fornisce ai laboratori più piccoli un utile strumento di ricerca in quanto richiede solo l'uso di attrezzature che sono tipicamente già disponibili per i laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Il seguente protocollo dettagliato delinea il processo di progettazione e stampa 3D per l'MMAA. Inoltre, i passaggi per l'acquisto di uno stampo master multistrato utilizzando l'MMAA e la produzione di chip microfluidici poli(dimetilsilossano) (PDMS) sono descritti anche nel presente documento.

Introduzione

Un campo ben sviluppato e promettente nella ricerca ingegneristica è la microfabbricazione a causa della vasta distesa di applicazioni che impiegano piattaforme microfluidiche. La microfabbricazione è un processo in cui le strutture sono prodotte con caratteristiche di dimensioni μm o più piccole utilizzando diversi composti chimici. Poiché la ricerca microfluidica si è sviluppata negli ultimi 30 anni, la litografia morbida è diventata la tecnica di microfabbricazione più popolare con cui produrre microchip a base di poli(dimetilsilossano) (PDMS) o sostanze simili. Questi microchip sono stati ampiamente utilizzati per la miniaturizzazione delle comuni pratiche di laboratorio^1,2,3,4 e sono diventati potenti strumenti di ricerca per gli ingegneri per imitare i processi di^{reazione 5,6,7,}studiare i meccanismi di reazione e imitare gli organi presenti nel corpo umano in vitro (ad esempio, organ-on-a-chip)^8,9,10. Tuttavia, con l'aumentare della complessità dell'applicazione, è tipico che un design del dispositivo microfluidico più complesso consenta una migliore replica del sistema reale che si intende imitare.

La procedura di base della litografia morbida prevede il rivestimento di un substrato con una sostanza fotoresistente e il posizionamento di una fotomaschera sul substrato rivestito prima di sottoporre il substrato alla luce UV¹¹. La fotomaschera ha regioni trasparenti che imitano il modello desiderato dei canali del dispositivo microfluidico. Quando si sottopone il substrato rivestito alla luce UV, le regioni trasparenti consentono alla luce UV di penetrare attraverso la fotomaschera, causando la reticolazione del fotoresiste. Dopo la fase di esposizione, il fotoresist non reticolato viene lavato via usando uno sviluppatore, lasciando strutture solide con il modello previsto. Man mano che la complessità dei dispositivi microfluidici diventa maggiore, richiedono una costruzione a più strati con dimensioni estremamente precise. Il processo di microfabbricazione multistrato è molto più difficile rispetto alla microfabbricazione a strato singolo.

La microfabbricazione multistrato richiede un allineamento preciso delle caratteristiche del primo strato con i disegni sulla seconda maschera. Normalmente, questo processo viene eseguito utilizzando un allineatore di maschere commerciale, che è costoso e richiede una formazione per far funzionare il macchinario. Pertanto, il processo di microfabbricazione multistrato è in genere irraggiungibile per i laboratori più piccoli che non hanno i fondi o il tempo per tali sforzi. Mentre sono stati sviluppati molti altri allineatori di maschere costruiti su misura, questi sistemi spesso richiedono l'acquisto e l'assemblaggio di molte parti diverse e possono ancora essere piuttosto complessi^12,13,14. Questo non è solo costoso per i laboratori più piccoli, ma richiede anche tempo e formazione per costruire, comprendere e utilizzare il sistema. L'allineatore di maschere dettagliato in questo documento ha cercato di alleviare questi problemi in quanto non è necessario l'acquisto di attrezzature aggiuntive, richiedendo solo attrezzature che sono tipicamente già presenti nei laboratori che producono e utilizzano dispositivi microfluidici. Inoltre, l'allineatore di maschere è fabbricato dalla stampa 3D, che con il recente progresso della tecnologia di stampa 3D, è diventata prontamente disponibile per la maggior parte dei laboratori e delle università a un costo accessibile.

Il protocollo dettagliato in questo documento mira a creare un allineatore di maschere alternativo economico e facile da utilizzare. L'allineatore di maschere qui descritto può rendere fattibile la microfabbricazione multistrato per i laboratori di ricerca senza strutture di fabbricazione convenzionali. Utilizzando l'adattatore di allineamento della maschera del microscopio (MMAA), è possibile ottenere microchip funzionali con caratteristiche complesse utilizzando una normale sorgente di luce UV, un microscopio ottico e attrezzature di laboratorio comuni. I risultati mostrano che l'MMAA funziona bene con un sistema di esempio che utilizza un microscopio verticale e una scatola di esposizione alla luce UV. L'MMAA prodotto utilizzando il processo di stampa 3D è stato utilizzato per acquisire uno stampo master a doppio strato di un dispositivo microfluidico a spina di pesce con errori di allineamento minimi. Utilizzando lo stampo master fabbricato con un MMAA stampato in 3D, sono stati preparati dispositivi microfluidici con strutture multistrato contenenti errori di allineamento di < 10 μm. L'errore di allineamento di <10 μm è abbastanza minimo da non ostacolare l'applicazione del dispositivo microfluidico.

Inoltre, è stato confermato il successo dell'allineamento di uno stampo master a quattro strati prodotto utilizzando l'MMAA e gli errori di allineamento sono stati determinati < 10 μm. La funzionalità del dispositivo microfluidico e gli errori di allineamento minimi convalidano l'applicazione di successo dell'MMAA nella creazione di dispositivi microfluidici multistrato. L'MMAA può essere personalizzato per adattarsi a qualsiasi microscopio e sistema di esposizione ai raggi UV apportando piccole modifiche al file nella stampante 3D. Il seguente protocollo delinea i passaggi necessari per mettere a punto l'MMAA per adattare le apparecchiature disponibili in ciascun laboratorio e stampare in 3D l'MMAA con le specifiche richieste. Inoltre, il protocollo descrive in dettaglio come sviluppare uno stampo master multistrato utilizzando il sistema e successivamente produrre dispositivi microfluidici PDMS utilizzando lo stampo master. La generazione dello stampo master e dei chip microfluidici consente quindi all'utente di testare l'efficacia del sistema.

Protocollo

1. Progettare l'MMAA

1. Ottenere che le dimensioni del vassoio del sistema di emissione di luce UV disponibile siano il limite superiore per le dimensioni del supporto del wafer (o dell'unità di esposizione ai raggi UV) mostrato nella Figura 1. Come mostrato nella Figura 2A,misurare il diametro (d) del cerchio circolare interno, l'altezza interna (h) del vassoio del sistema di emissione di luce UV, la larghezza totale (w) e la lunghezza (l) del vassoio.
   NOTA: ad esempio, il sistema di esposizione alla luce UV disponibile aveva dimensioni interne del vassoio di 5 pollici (") x 5 "x 0,25" con un ritaglio circolare da 4". Le dimensioni dell'MMAA sono state quindi progettate per non essere superiori alle dimensioni interne del vassoio per adattarsi correttamente e sedersi piatte all'interno del vassoio del sistema, come mostrato nella Figura 2B. Vedere la Figura 3 per i pezzi stampati in 3D dell'MMAA: wafer di silicio rivestito con fotoresistente e un dispositivo di fissaggio per fissare la configurazione al microscopio.
2. Misurare la lunghezza tra le viti sullo stadio del microscopio verticale disponibile che tiene in posizione il supporto del vetrino. Inoltre, misurare la larghezza delle viti. Applicare queste dimensioni per personalizzare il supporto magnetico (Figura 1) per adattarlo al microscopio disponibile per consentire una facile e precisa fissazione dell'MMAA al microscopio (Figura 4A).
3. Utilizzando un'applicazione di progettazione computer computerale disponibile, personalizzare il supporto del wafer e il dispositivo di fissaggio del microscopio magnetico per adattarli alle dimensioni misurate. Progettare l'altezza, la larghezza e la lunghezza del supporto del wafer in modo che non siano superiori all'altezza (h), alla larghezza (w) e alla lunghezza (l) del vassoio del sistema di emissione di luce UV. Inoltre, includere il ritaglio circolare nella parte inferiore del supporto del wafer con lo stesso diametro (d) del vassoio del sistema di emissione di luce UV. Generare file STL o CAD per i due pezzi dell'MMAA da utilizzare per la stampa 3D del dispositivo (vedi Materiale supplementare).

2.3D Stampa dell'MMAA

1. Carica i file STL o CAD generati sul software di stampa 3D disponibile. Stampa 3D i due pezzi dell'MMAA seguendo la procedura appropriata per il processo 3D e la stampante utilizzata. Completare i pezzi seguendo tutte le fasi post-stampa richieste (ad esempio, rimozione del materiale di supporto, rimozione della resina non polimerizzata, ulteriori fasi di lavaggio o polimerizzazione). In alternativa, utilizzare una struttura di stampa 3D disponibile per stampare e completare altrove i pezzi progettati.
2. Assicurarsi che il supporto del wafer si adatti bene e si trovi piatto all'interno del vassoio del sistema di esposizione alla luce UV disponibile (Figura 2B). Inoltre, assicurarsi che il dispositivo di fissaggio del microscopio sia collegato allo stadio del microscopio e possa essere spostato facilmente utilizzando le manopole che controllano le posizioni x e y dello stadio del microscopio (Figura 4A).
3. Una volta che i pezzi sono stati finalizzati, inserire e fissare i magneti nel supporto del wafer e nel dispositivo di fissaggio del microscopio (Figura 3A), utilizzando super colla o qualsiasi altra sostanza fissante. Lasciare asciugare la colla prima di testare il sistema.
   NOTA: Se lo si desidera, un pezzo protype può prima essere stampato utilizzando una stampante 3D Fused Deposition Modeling (FDM) per risparmiare risorse e denaro¹⁵. Questo protipo può quindi essere valutato per l'adattamento accurato alle apparecchiature disponibili e il design può quindi essere modificato, se necessario. Il dispositivo finale può quindi essere stampato utilizzando un processo più accurato (ad esempio, stereolitografia) per una migliore precisione. Il dispositivo finale può anche essere stampato con una finitura traslucida per un uso ottimale al microscopio.

3. Prove sperimentali delle MMAA

1. Progettazione e stampa delle fotomaschere dei dispositivi microfluidici con marcatori di allineamento
   1. Utilizzare un'applicazione di progettazione al computer per progettare fotomaschere per il dispositivo microfluidico a doppio strato desiderato.
   2. Includere strutture aggiuntive sul lato delle strutture di canale del dispositivo microfluidico che fungeranno da marcatori di allineamento (più vicini al bordo della fotomaschera / stampo master) come mostrato nella Figura 5A,B. Assicurarsi che ci sia un marcatore di allineamento su ciascun lato del dispositivo microfluidico (per un totale di almeno quattro). Inoltre, assicurarsi che la fotomaschera contenga un bordo dritto che possa allinearsi perfettamente con il bordo dritto del wafer di silicio.
      NOTA: la maggiore complessità della struttura del marcatore di allineamento consentirà una maggiore precisione di allineamento dei livelli aggiuntivi. Per lo meno, dovrebbe essere utilizzata una semplice struttura a croce con misure di 1 mm x 1 mm (Figura 6A). Un esempio dei marcatori di allineamento può essere visto negli angoli e nel bordo centrale inferiore della Figura 5A,B, che raffigurano le fotomaschere del primo e del secondo strato utilizzate per generare uno stampo master a doppio strato.
   3. Stampa le fotomaschere tramite un fornitore commerciale o attraverso altre strutture accessibili
2. Creazione dello stampo master a doppio strato utilizzando l'MMAA (fotolitografia)
   1. Utilizzando le tecniche di fotolitografia standard e le istruzioni del produttore del fotoresist, creare il primo strato dello stampo master utilizzando la fotomaschera del primo strato¹⁶. Utilizzare un wafer di silicio da 4" con il fotoresist appropriato (ad es. SU-8) per creare lo spessore dello strato desiderato. Assicurarsi che lo spessore del primo strato sia maggiore degli strati successivi per una facile identificazione dei marcatori di allineamento.
   2. Usa un pennarello di colore chiaro (ad esempio, oro) per colorare i marcatori di allineamento del primo strato su tutti e quattro i lati.
   3. Utilizzando le istruzioni del produttore del fotoresist, avviare il secondo strato dello stampo principale rivestendo il fotoresist sul wafer ed eseguendo la cottura morbida¹⁶. Inserire il wafer rivestito nel supporto wafer dell'MMAA (Figura 3B) e fissare il wafer rivestito all'MMAA usando del nastro adesivo.
   4. Collegare il supporto del wafer al microscopio verticale disponibile utilizzando il dispositivo di fissaggio del microscopio magnetico (Figura 4A). Spostare la posizione dell'MMAA utilizzando le manopole di direzione x e y dello stadio del microscopio fino a quando uno dei marcatori di allineamento colorati sul wafer è in vista attraverso la lente del microscopio.
   5. Inserire la fotomaschera di secondo strato nel supporto del wafer, sopra il wafer rivestito (Figura 3C). Assicurati che i marcatori di allineamento colorati del primo livello possano essere parzialmente visibili attraverso i marcatori di allineamento sulla fotomaschera.
   6. Attaccare la fotomaschera a un sollevatore a forbice (noto anche come jack di supporto) attraverso uno dei ritagli laterali (Figura 4B) con del nastro adesivo. Utilizzare il sollevatore a forbice per regolare la posizione della direzione z della fotomaschera fino a quando non si trova proprio sopra il wafer rivestito (Figura 3C).
      NOTA: Il sollevatore a forbice consente una regolazione fine della posizione z della fotomaschera, poiché il sollevatore a forbice può essere utilizzato per spostare la posizione della fotomaschera allegata nella direzione z.
   7. Mantenendo ferma la fotomaschera, guarda attraverso la lente del microscopio e identifica i marcatori di allineamento colorati del primo strato sotto i marcatori di allineamento della fotomaschera. Utilizzare le manopole di direzione x e y dello stadio del microscopio per spostare la posizione dell'MMAA (Figura 4D). Regolare la posizione dell'MMAA fino a quando il marcatore di allineamento sulla fotomaschera viene sovrapposto al marcatore di allineamento colorato sul primo strato(Figura 6A,B)osservando la posizione dei marcatori di allineamento attraverso la lente del microscopio.
   8. Applicare con attenzione una leggera forza sulla fotomaschera e utilizzare del nastro adesivo per fissare la fotomaschera in posizione sopra il wafer rivestito. Staccare la fotomaschera dall'elevatore a forbice. Assicurarsi che tutti e quattro i marcatori di allineamento sulla fotomaschera siano allineati con i quattro marcatori di allineamento sul primo livello.
   9. Una volta raggiunto l'allineamento, staccare con cura il supporto del wafer dallo stadio del microscopio. Inserire la piastra superiore in vetro sopra il wafer e la fotomaschera per ridurre lo spazio tra i due pezzi (Figura 1). Posizionare l'intero supporto del wafer nel sistema di esposizione alla luce UV disponibile, come mostrato nella Figura 4E. Esporre il secondo strato per il tempo e l'intensità della luce appropriati come descritto nelle istruzioni del produttore del fotoresist¹⁶.
   10. Rimuovere il supporto del wafer dal sistema di esposizione alla luce UV. Rimuovere il wafer rivestito dal supporto del wafer e staccare la fotomaschera dal wafer. Completare la lavorazione del secondo strato (ad esempio, post-cottura, sviluppo, risciacquo e asciugatura) secondo le istruzioni del produttore del fotoresist¹⁶.
       NOTA: l'esatto rivestimento di centrifuga, la cottura morbida, l'esposizione, la post-cottura e le condizioni di sviluppo (tempo, temperatura) varieranno in base al fotoresist utilizzato e allo spessore dello strato desiderato. Le condizioni effettive e l'esatta procedura di fotolitografia devono essere basate sulle istruzioni del produttore del fotoresist.
3. Preparazione di un dispositivo microfluidico utilizzando lo stampo master (litografia morbida)
   1. Recupera lo stampo principale e fissalo nel mezzo di una capsula di Petri in plastica da 150 mm x 15 mm con del nastro adesivo.
   2. Preparare ~ 15-20 g di PDMS in base alle istruzioni del produttore. Posizionare il PDMS in una camera a vuoto o lasciarlo riposare fino a quando non è privo di bolle. Versare il PDMS nella capsula di Petri contenente lo stampo principale.
   3. Lasciare riposare la piastra di Petri con lo stampo principale sul piano di lavoro fino a quando il PDMS non è privo di bolle. Mettere la capsula di Petri in forno a 65 °C fino a quando il PDMS non è completamente indurito (almeno 3 ore).
   4. Ritaglia il PDMS per rivelare le strutture dei microcanali. Tagliare il PDMS attorno alle strutture dei microcanali in microchip separati e creare i fori di ingresso e di uscita per il dispositivo microfluidico. Utilizzare del nastro adesivo per rimuovere delicatamente eventuali piccole particelle che potrebbero trovarsi sulla superficie pdms.
   5. Completare la fabbricazione del microchip incollando il chip PDMS al PDMS o un vetrino per microscopio trattando al plasma il chip PDMS e il substrato aggiuntivo.
4. Determinazione dell'errore di allineamento
   1. Recuperate lo stampo master e utilizzate il microscopio verticale per determinare la distanza dello spazio (errore di allineamento) tra il primo strato e il secondo strato. Ciò è sufficiente misurando la distanza di spostamento e disallineamento del secondo strato dal primo strato sulle strutture dei microcanali (vedere la Figura 5D per un esempio di distanza di gap misurata).
   2. Utilizzare il microscopio verticale per determinare se il chip PDMS contiene pareti del canale diritte con bordi chiari del dispositivo. Inoltre, controllare il chip PDMS per eventuali difetti che potrebbero ostacolare la funzionalità del dispositivo.
      NOTA: potrebbe essere necessario ripetere la fabbricazione dello stampo principale (sezioni 3.2 e 3.3) per ottenere un errore di allineamento inferiore. La pratica ripetuta utilizzando l'MMAA viene mostrata per migliorare la capacità dell'utente di creare uno stampo master ben allineato. Inoltre, le immagini possono essere ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) (Figura 7) per confermare l'errore di allineamento.

Risultati

Attraverso l'ottimizzazione e l'uso dell'MMAA (Figura 1), sono stati fabbricati stampi master multistrato con un errore di allineamento minimo. L'MMAA finale è stato fabbricato utilizzando il processo di stampa 3D FFF (Fused Filament Fabrication)(Figura 2). Il processo FFF conferisce una maggiore precisione per le dimensioni desiderate del dispositivo. L'MMAA è composto da due pezzi principali (Figura 3): il pezzo base e il dispo...

Discussione

Il suddetto protocollo delinea la procedura per la stampa 3D di un MMAA e l'utilizzo del sistema per creare uno stampo master di dispositivo microfluidico preciso, multistrato. Sebbene il dispositivo sia facile da usare, ci sono passaggi critici all'interno del protocollo che richiedono pratica e cura per garantire il corretto allineamento degli strati dello stampo principale. Il primo passo critico è la progettazione dell'MMAA. È essenziale quando si progetta l'MMAA determinare le misurazioni esatte per il dispositivo...

Materiali

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