En este tutorial, detallamos todos los pasos necesarios para la fabricación de un dispositivo microfluídico, tomando como ejemplo un chip de doble emulsión y captura. Este protocolo, inspirado y extraído de los artículos escritos por Ho, Lee y Liu, publicados en 2016 en Scientific Reports, y por Kole et al., publicados en 2015 en J. Res. Natl. Inst. Stand. Technologie, te proporcionará las claves, desde el diseño hasta la microfabricación, para construir tu propio dispositivo.
Diseño de un dispositivo
El diseño que se presenta a continuación se ha concebido para generar gotas de doble emulsión.
A continuación encontrarás un protocolo detallado (extraído del artículo de Kole et al., publicado en 2015 en J. Res. Natl. Inst) que te permitirá diseñar un dispositivo microfluídico:
1. En primer lugar, es necesario utilizar un programa de diseño asistido por ordenador (CAD) para diseñar el dispositivo microfluídico.
2. A continuación, te recomendamos que utilices el contorno de una oblea de 100 mm de diámetro (esto depende, obviamente, de las dimensiones de tu dispositivo) y una superficie plana estándar como límite exterior del dispositivo de matriz, y que sitúes los elementos del dispositivo en el centro, a unos 90 mm de la oblea, para evitar posibles defectos en los bordes.
3. Para fabricar un dispositivo con varios niveles de litografía, lo que requiere la aplicación de fotorresina a los elementos modelados y la alineación entre los sucesivos niveles de litografía, recomendamos seguir las siguientes indicaciones:
3.1. Se pueden situar las características del dispositivo, como las marcas de alineación inferiores del sustrato, en el primer nivel de diseño. Este orden es óptimo para estructurar elementos con dimensiones verticales del orden de los nanómetros en una película plana de fotorresina, aplicada de forma conformada sobre un sustrato no estructurado.
Si las dimensiones verticales de los elementos estructurados en los niveles fotolitográficos posteriores son críticas, y si el diseño del dispositivo y de la matriz lo permite, coloque los elementos en los niveles inferiores, hacia la periferia de la matriz. Esta disposición reducirá así la variación en el espesor de la película de fotorresina depositada por centrifugación sobre estos elementos de los niveles inferiores en las zonas más cercanas al centro de la oblea, donde se colocarán posteriormente los elementos de los niveles superiores.
3.2 A continuación, las marcas de alineación inferiores deben colocarse hacia la periferia de la oblea para mejorar la alineación angular y reducir la variación radial resultante en el espesor de la película, y en ubicaciones que no interfieran con las características del dispositivo. La colocación ideal de las marcas de alineación inferiores permite utilizar una única tira de cinta lineal para enmascarar varias marcas de alineación inferiores durante el recubrimiento centrífugo del fotorresistente sin cubrir las características del dispositivo. De este modo, se mantiene la visibilidad de las marcas de alineación inferiores al tiempo que se alcanzan niveles más altos de fotolitografía. Se recomienda incluir al menos un par de marcas de alineación inferiores por cada nivel superior de fotolitografía.
3.3. En este tercer paso, puedes colocar elementos del dispositivo, como canales microfluídicos, depósitos de entrada y salida, y marcas de alineación de la fotomáscara superior, en los niveles superiores del diseño. Si las dimensiones verticales de estos elementos son críticas, y si el diseño del dispositivo y del chip lo permite, puedes colocar estos elementos de nivel superior más cerca del centro de la oblea. Esta colocación se beneficiará de la menor variación en el espesor de la película, gracias a la aplicación de un fotorresistente centrífugo a los elementos de nivel inferior, que se sitúan de forma óptima hacia la periferia del chip. Así, las marcas de alineación inferiores del sustrato deberían ser visibles a través de las marcas de alineación superiores de la fotomáscara, que serán en su mayor parte opacas para modelar una estructura de molde en un fotorresistente de tono negativo.
4. Por último, durante el proceso de fotolitografía, se pueden alinear las marcas de alineación complementarias a través de la fotomáscara sobre el sustrato.
Creación de un patrón para el molde de un dispositivo
Existen muchos métodos posibles para fabricar un molde para un dispositivo microfluídico, utilizando diferentes materiales y técnicas. El más utilizado es el método fotolitográfico, ideal para la creación rápida de prototipos. Consiste en aplicar y modelar por centrifugación el SU-8, un fotorresistente negativo a base de epoxi, sobre una oblea de silicio. El molde de silicio para el sustrato superior se fabricó mediante el patrón de doble capa de SU-8, en el que la primera capa estampada define la sección transversal de las micropipetas, las estructuras de retención y el canal microfluídico, mientras que la segunda capa define las estructuras de retención y el canal microfluídico principal. El molde de silicio para el sustrato inferior se fabricó mediante el patrón de una sola capa de SU-8, que define las estructuras de retención y el canal microfluídico principal.
Molde de silicio para el sustrato superior
1. El primer paso consiste en aplicar mediante recubrimiento por centrifugación una película nanométrica de SU-8 2010 sobre una oblea de silicio sin recubrimiento.
1.1. Para ello, centra la oblea de silicio en el mandril de una centrífuga con la ayuda de una plantilla de centrado.
1.2 Vierte unos 10 ml de SU-8 2010 en el centro de la oblea, procurando que no se formen burbujas de aire.
1.3. La primera capa del sustrato superior, SU-8 2010, se aplicó mediante recubrimiento por centrifugación sobre una oblea de silicio a 5.000 rpm, lo que dio como resultado un espesor de 8 µm.
2. Calentar la oblea de silicio, recubierta con una capa nanométrica de SU-8 2010, a 95 °C durante 2 minutos sobre una placa calefactora.
3. A continuación, debe realizarse la primera exposición fotolitográfica de la película nanométrica SU-8 2010.
3.1. Para ello, coloca la oblea de silicio con la película nanométrica de SU-8 2010 y la primera fotomáscara en el alineador de contacto.
3.2. Coloca la oblea de silicio con la película nanométrica de SU-8 2010 y la fotomáscara en contacto suave.
3.3. Utiliza un filtro i-line para exponer la película nanométrica SU-8 2010 a una longitud de onda de 365 nm con una dosis de 80 mJ/cm².
4. Tras la exposición, vuelve a hornear la oblea de silicio con la película nanométrica de SU-8 2010 en una placa calefactora a 95 °C durante 2 minutos.
5. Ahora se puede desarrollar el patrón en la película nanométrica expuesta de SU-8 2010.
5.1. Para ello, sumerja la oblea de silicio con la película nanométrica expuesta de SU-8 2010 en el revelador SU-8 durante 1 minuto, agitando suavemente.
5.2. A continuación, enjuaga la oblea de silicio con los patrones revelados en SU-8 2010 en alcohol isopropílico durante 10 segundos y sécala con nitrógeno.
6. Hornea la oblea de silicio con los patrones revelados en SU-8 2010 en una placa calefactora a 150 °C durante 30 minutos. Estos patrones se adhieren firmemente al sustrato.
7. Enmascara las zonas de la oblea de silicio con marcas de alineación inferiores grabadas en el SU-8 2010 utilizando, por ejemplo, una tira de cinta de enmascarar de 6 mm (0,25 pulgadas) de ancho. Esta cinta de enmascarar cubrirá las marcas de alineación inferiores durante el proceso de recubrimiento centrífugo. No cubras las zonas de la oblea de silicio en las que se vayan a grabar las características del dispositivo de nivel superior, ya que esto impediría la fotolitografía en dichas zonas.
8. Ahora es posible aplicar mediante recubrimiento por centrifugación la segunda capa de SU-8 2010 sobre la oblea de silicio enmascarada con los primeros patrones de SU-8 2010.
8.1. Para ello, centra la oblea de silicio con los patrones de SU-8 2010 en el mandril de una centrífuga con la ayuda de una plantilla de centrado.
8.2 Vierte unos 10 ml de SU-8 2010 en el centro de la oblea, procurando que no se formen burbujas de aire.
8.3 Para la segunda capa, se aplica SU-8 2010 a una velocidad de centrifugado de 2000 rpm, lo que da un espesor total de 15 µm.
9. Ya puedes quitar la cinta adhesiva
10. Hornea la oblea con una capa microscópica de SU-8 2010 en una placa calefactora a 95 °C durante 8 minutos.
11. Ahora ya puedes realizar la segunda exposición fotolitográfica de la película microscópica de SU-8 2010.
11.1. Para ello, coloca la oblea de silicio con la película a microescala de SU-8 2010 en el alineador de contacto junto con la segunda fotomáscara para las características a microescala del dispositivo.
11.2. Alinea las marcas nanométricas dibujadas anteriormente con las marcas microscópicas de la fotomáscara. Asegúrate de alinear las marcas de alineación superior e inferior.
11.3. Coloca la oblea de silicio con la película a microescala de SU-8 2010 y la fotomáscara en contacto suave.
11.4. Utiliza un filtro de línea «i» para exponer la película de SU-8 2010 a una longitud de onda de 365 nm con una dosis de 160 mJ/cm².
12. Tras la exposición, hornea la oblea de silicio con la película microscópica expuesta de SU-8 2010 en la placa calefactora a 95 °C durante 8 minutos.
13. Ha llegado el momento de revelar el patrón en la película microscópica expuesta de SU-8 2010.
13.1. Para ello, prepara dos recipientes de revelador SU-8 para una primera eliminación a granel del SU-8 2010, seguida de un enjuague de limpieza.
13.2 Sumerja la oblea, con la capa microscópica de SU-8 2010 expuesta, en el primer recipiente durante 45 segundos, agitando suavemente.
13.3 Sumerja la oblea, con la película microscópica de SU-8 2010 parcialmente revelada, en el segundo recipiente, agitando suavemente durante 30 s.
13.4. Enjuaga la oblea, que presenta una película microscópica de SU-8 2010 completamente desarrollada, con alcohol isopropílico y sécala con nitrógeno.
14. Examina el molde del dispositivo resultante mediante microscopía óptica. Si persisten residuos de SU-8 2010, enjuaga la oblea.
Molde de silicio para el sustrato inferior
Para el sustrato inferior, se aplicó una única capa de SU-8 2010 con un espesor de 15 µm, a una velocidad de rotación de 1500 rpm.
Se recomienda medir el espesor de la película de los elementos con patrón del SU-8 2010 utilizando, por ejemplo, un perfilómetro de superficie de sonda de barrido o un microscopio de fuerza atómica.
Moldeado de un dispositivo
Una vez fabricados los moldes de silicio, se vertió PDMS (Sylgard-184) en ellos. La capa de control se vertió con una proporción de mezcla de 7:1 (base:agente de curado). La membrana del canal de flujo se generó mediante recubrimiento por centrifugación de PDMS con una proporción de mezcla de 20:1 sobre el molde de silicio de la capa de flujo. Es importante destacar que la membrana de PDMS entra en contacto con el fondo del canal de flujo a 30, 25 y 20 psi para dispositivos con velocidades de recubrimiento por centrifugación del PDMS de 1000, 1200 y 1600 rpm, respectivamente. Una vez cortado en cuadrados y perforado el sustrato de control de PDMS, tanto este como la membrana de la capa de flujo de PDMS sobre el molde de silicio se colocaron en un grabador de plasma de oxígeno. A continuación, el sustrato de la capa de control de PDMS cortado en dados se alineó cuidadosamente y se unió a la membrana de la capa de flujo de PDMS utilizando una plataforma de alineación personalizada sobre un microscopio óptico. Una fina membrana de PDMS separa el canal microfluídico y las capas de control, que cumplen dos funciones diferentes y se controlan de forma independiente. Para dirigir el flujo hacia las cámaras de retención, un conjunto de válvulas de control neumático situado sobre el canal microfluídico bloquea el flujo en el canal microfluídico principal cuando se acciona dicho conjunto. Un segundo conjunto de válvulas de control situado directamente sobre las cámaras de captura ejerce compresión sobre la doble emulsión capturada cuando se acciona dicho conjunto. Dado que los dos conjuntos de válvulas de control pueden controlarse de forma independiente, la captura se desacopla de la compresión. Por último, el sustrato de PDMS se unió a este portaobjetos de vidrio.
El dispositivo microfluídico capilar de vidrio se fabricó ensamblando un capilar redondo cónico, un capilar cuadrado y agujas de jeringa mediante epoxi de 5 minutos. En primer lugar, se extrajo el capilar redondo de vidrio utilizando un extractor de pipetas. A continuación, se lijó el capilar cónico con papel de lija de grano 1200 para obtener una abertura de 100 μm para el tubo de recogida. La superficie exterior de un tubo de inyección limpio, con una abertura de 15 μm, estirado y lijado de forma similar, se trató con triclor(1H,1H,2H,2H-perfluorooctil)silano para conferirle hidrofobicidad. A continuación, el tubo de inyección y el tubo de recogida se insertaron en un capilar cuadrado colocado sobre un portaobjetos de vidrio y se alinearon bajo un microscopio óptico. Se cortaron agujas de jeringa y se pegaron al portaobjetos de vidrio con epoxi de 5 minutos. Por último, se conectaron microtubos a las agujas de jeringa.
Captura de emulsiones dobles
Las emulsiones dobles se retuvieron en el interior del dispositivo microfluídico para la aplicación de fuerzas mecánicas. En primer lugar, se generaron emulsiones dobles con un diámetro comprendido entre 40 μm y 90 μm en un dispositivo microfluídico capilar de vidrio y, a continuación, se reinyectaron en el dispositivo microfluídico con una dilución de 10x. Para retener las emulsiones dobles en las cámaras de retención, se presurizó el conjunto de válvulas de control 1 a una presión de entre 10 y 15 psi con el fin de bloquear el canal microfluídico principal, lo que aumentó la resistencia al flujo en dicho canal. La relación de resistencia al flujo entre los microcanales y el canal microfluídico principal se reducirá y un mayor número de líneas de corriente de fluido pasará por los microcanales.
Esto aumenta considerablemente la eficiencia de captura de las emulsiones dobles, y es posible que las 14 cámaras de captura se llenen en menos de un minuto. Una emulsión doble quedará atrapada si su radio es menor que la anchura crítica instantánea de la corriente, que viene determinada por la relación de resistencia al flujo entre la micropipeta y el canal microfluídico principal.
