Ohne Mikrofabrikation gibt es keine Mikrofluidik. Da sich die Mikrofluidik mit der Steuerung von Fluiden durch Geräte wie DNA-Chips, Lab-on-Chips und Organ-on-Chips im Submillimeterbereich befasst, ist die Mikrofabrikation für die Erstellung geometrisch definierter Strukturen unerlässlich.
Es gibt zahlreiche Mikrofabrikationstechniken, die ihren Ursprung in der Mikroelektronikindustrie zur Herstellung von Halbleitern, Schaltkreisen und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) haben. In der Mikrofluidik bezeichnet das Mikrostrukturieren (Micropatterning) die spezifischen Techniken, die bei der Herstellung der meisten Geräte zum Einsatz kommen [1].
Der gesamte Mikrofabrikationsprozess eines gängigen Mikrostrukturationsverfahrens ist in Abbildung 1 dargestellt.
Er besteht aus der Kombination von zwei Lithographietechniken, der Photolithographie und der Weichlithographie (Soft-Lithography), zur Herstellung eines Polydimethylsiloxan-Geräts (PDMS).
Was ist Photolithographie?
Photolithographie, auch als optische Lithographie bezeichnet, ist das Schlüsselverfahren für die Herstellung von Mikrostruktur-Gerüsten. Mittels Photolithographie ist es möglich, ein geometrisch definiertes Muster in einer Schicht aus einem energiedefinierbaren Polymer, dem sogenannten Photoresist, zu erzeugen. Die am häufigsten verwendete Photolithographie-Technik nutzt UV-Licht, um ein spezifisches Muster von einer Photomaske auf den UV-lichtempfindlichen Photoresist zu übertragen, der auf einem starren Substrat aufgebracht ist.
In einer typischen Reinraumumgebung wird die Photolithographie gewöhnlich verwendet, um Formen (Molds) mit negativen Reliefmustern aus SU-8-Photoresist auf einem Siliziumwafer (Si-Wafer) herzustellen. SU-8 ist ein säurekatalysierter, negativer Photoresist, der häufig für die Mikrofabrikation von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis verwendet wird [3].
Wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, wird ein gleichmässiger SU-8-Film durch Spin-Coating auf einen Si-Wafer aufgetragen, anschliessend wird eine Photomaske mit einem mikrokalibrierten Muster aufgelegt und diese Anordnung mit UV-Licht belichtet, um das Muster zu übertragen. Der Photoresist enthält hochverzweigte Epoxidgruppen (Abb. 3a), und das UV-Licht aktiviert die photolytische Reaktion, indem es den Photosäure-Initiator erzeugt (Abb. 3b), der in der Lage ist, die SU-8-Epoxide zu protonieren und die Polymerisation zu starten (Abb. 3c).
Das gewünschte Muster wird schliesslich durch das Auflösen des nicht vernetzten Photoresists entwickelt: Die präzise Steuerung des Prozesses ermöglicht es, die gewünschte Mikro- und Nanoarchitektur hinsichtlich Abmessung, Tiefe und Form zu erzielen. Die erhaltene SU-8-Form weist das inverse Muster der finalen Gerätestruktur auf und wird im nächsten Schritt der Weichlithographie verwendet.
Was ist Weichlithographie (Soft-Lithography)?
Weichlithographie (Soft-Lithography), auch als Replikaguss bezeichnet, verwendet elastomere Polymere, um Stempel zu erzeugen, die komplementär zu einer Form mit dem negativen Design sind. Diese Strukturierungsmethode bietet mehrere Vorteile wie geringere Kosten, hohen Durchsatz, einfache Handhabung und eine gute Musterauflösung [1].
Nach Abschluss der Mikrofabrikation durch Photolithographie kann die Masterform mehrfach verwendet werden, um die Polymerstempel herzustellen. Insbesondere PDMS ist das am häufigsten verwendete Elastomer zur Herstellung mikrofluidischer Geräte, die in verschiedenen Forschungsfeldern von der Biologie über die Chemie bis hin zur Physik Anwendung finden.
Abbildung 4 zeigt, wie das PDMS beim Replikationsgießen (Replica Molding) verwendet wird, um Chips aus einer mit SU-8 strukturierten Form herzustellen (die zuvor durch Photolithographie erstellt wurde). Insbesondere wird eine Mischung aus PDMS-Basis und Härter im Allgemeinen auf die Form gegossen und entgast. Der PDMS-Stempel wird erst nach dem Polymerisationsprozess durch Vernetzung bei 60 °C für mindestens 2 h von der Form getrennt. Um schließlich das mikrofluidische Endgerät zu erhalten, kann der PDMS-Stempel beispielsweise durch eine kovalente Bindung mittels Sauerstoffplasmabehandlung mit einem Glasträger zusammengefügt werden.
Literaturverzeichnis
[1] Onur, S. et al. 3 – Micro- and nanopatterning of biomaterial surfaces. Fundamental Biomaterials: Metals, Woodhead Publishing, 2018: S. 67-78.
[2] Bhatia, S.N. und D.E. Ingber, Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology, 2014. 32: S. 760.
[3] Pinto, C.V., et al., Optimized SU-8 Processing for Low-Cost Microstructures Fabrication without Cleanroom Facilities. Micromachines, 2014. 5(3).
[4] Lima, R.S., et al., Sacrificial adhesive bonding: a powerful method for fabrication of glass microchips. Scientific Reports, 2015. 5: S. 13276.
