Быстрое прототипирование для высоких

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1232 (2023) Цитировать эту статью

2837 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мягкая литография позволила быстро создавать прототипы точных микрофлюидных характеристик путем нанесения рисунка на деформируемый эластомер, такой как полидиметилсилоксан (ПДМС), с помощью формы с фотолитографическим рисунком. В приложениях микрофлюидики, где гибкость ПДМС является недостатком, было предложено множество более жестких материалов. По сравнению с альтернативами устройства, изготовленные из эпоксидной смолы и стекла, имеют превосходные механические характеристики, разрешение и совместимость с растворителями. Здесь мы представляем подробный пошаговый метод изготовления жестких микрофлюидных устройств из мягкой эпоксидной смолы с литографическим рисунком и стекла. Протокол соединения был оптимизирован, что позволило получить устройства, выдерживающие давление, превышающее 500 фунтов на квадратный дюйм. Используя этот метод, мы демонстрируем использование жестких спиральных микроканалов с высоким соотношением сторон для высокопроизводительной фокусировки клеток.

Методы быстрого прототипирования ускоряют разработку микрофлюидных технологий на ранних стадиях за счет сокращения времени итерации и первоначальных затрат. Вероятно, наиболее широко используемым методом быстрого прототипирования для исследований в области микрофлюидики является мягкая литография, которая обычно включает в себя создание рисунка на детали полидиметилсилоксанового (ПДМС) эластомера из формы пленки фоторезиста с микроузором на кремниевой пластине1. Относительно мягкая и прочная деталь из ПДМС отрывается от твердой силиконовой формы. Основные преимущества мягкой литографии по сравнению с альтернативными методами быстрого прототипирования, такими как 3D-печать, обусловлены превосходным разрешением объектов, обеспечиваемым тонкопленочной фотолитографией на кремниевых пластинах, а также способностью быстро производить несколько эластомерных устройств из одной формы пластины. .

Однако деформируемость PDMS неблагоприятна для приложений микрофлюидики, которые связаны с умеренными давлениями и где важна геометрия канала. Например, это относится практически ко всем исследованиям явлений инерционной микрофлюидики, которые обычно включают потоки относительно высокого давления (P> 30 фунтов на квадратный дюйм) в относительно длинных микроканалах (> 1 см). Устройства PDMS начинают деформироваться уже при давлении 15 фунтов на квадратный дюйм и могут разорваться при давлении около 40–60 фунтов на квадратный дюйм2. Таким образом, использование ПДМС может поставить под угрозу как результаты исследований, где деформируемость может быть существенным источником экспериментальной изменчивости, так и поступательное развитие, поскольку в масштабируемых производственных процессах в подавляющем большинстве используются термопласты, которые намного более жесткие, чем ПДМС. В этих случаях было бы разумно сначала проверить микрофлюидные конструкции в жестком материале, прежде чем нести значительные затраты на инструменты для литья под давлением или тиснения.

Эти соображения побудили несколько групп разработать новые методы прототипирования жестких устройств, которые систематически рассматривались в 2011 году. Эти усилия продемонстрировали изготовление жестких устройств по фотолитографически определенному образцу путем трансферного формования с использованием промежуточной копии PDMS. Среди оцененных материалов рецептура термореактивного материала, впервые описанная в 2007 году, продемонстрировала самую высокую жесткость и наилучшие характеристики склеивания (не менее 150 фунтов на квадратный дюйм)4. Позже другой прозрачный термореактивный материал, эпоксидная смола EpoxAcast 690, был использован для измерения фокусировки частиц при очень высоких скоростях потока и рабочем давлении, приближающемся к 10 000 фунтов на квадратный дюйм5,6. Было также показано, что этот же материал обладает превосходной химической инертностью и газонепроницаемостью7. Также было показано, что эпоксидный чип способен захватывать циркулирующие опухолевые клетки из цельной крови в зависимости от их размера с эффективностью около 80%8. На основании этих исследований можно считать, что устройства из эпоксидного стекла имеют равные или превосходящие характеристики по сравнению со всеми другими изученными материалами для быстрого прототипирования в отношении точности характеристик, жесткости и прочности соединения. В целом, по сравнению с альтернативными методами быстрого прототипирования, такими как 3D-печать или ламинированные пленки с рисунком, устройства с фотолитографическим рисунком имеют самое высокое разрешение элементов и гладкость стенок9. Аналогичным образом, коммерчески доступные эпоксидные смолы более доступны для исследователей, чем нестандартные материалы10.