No existe la microfluídica sin la microfabricación. Dado que la microfluídica permite controlar los fluidos mediante dispositivos como los chips de ADN, los «lab-on-chips» y «órganos en chip» a una escala inferior al milímetro, la microfabricación resulta esencial para la creación de patrones geométricamente definidos.
Existen numerosas técnicas de microfabricación que tienen su origen en la industria microelectrónica y que se utilizan para la microfabricación de semiconductores, circuitos y sistemas microelectromecánicos (MEMS). En microfluídica, el micropatroneado hace referencia a las técnicas específicas que se emplean en la fabricación de la mayoría de los dispositivos [1].
En la figura 1 se representa todo el proceso de microfabricación de un patrón microestructural habitual.
Consiste en la combinación de dos técnicas de litografía, la fotolitografía y la litografía blanda, para la fabricación de un dispositivo de polidimetilsiloxano (PDMS).
¿Qué es la fotolitografía?
La fotolitografía, también conocida como litografía óptica, es el proceso clave para la fabricación de andamios microestructurados. Mediante la fotolitografía es posible crear un patrón geométricamente definido en una capa de un polímero sensible a la energía denominado fotorresina. La técnica de fotolitografía más utilizada emplea la luz ultravioleta para transferir un patrón específico desde una fotomáscara a la fotorresina sensible a la luz ultravioleta depositada sobre un sustrato rígido.
Por lo general, en las instalaciones de sala limpia más habituales, se utiliza la fotolitografía para preparar moldes con patrones en relieve negativos de fotorresina SU-8 sobre una oblea de silicio (Si). La SU-8 es una fotorresina negativa catalizada por ácido fotoresistente que se utiliza a menudo para la microfabricación de estructuras con una elevada relación de aspecto [3].
Tal y como se muestra esquemáticamente en la figura 2, se aplica una capa uniforme de SU-8 mediante recubrimiento por centrifugación sobre una oblea de silicio; a continuación, se superpone una fotomáscara con un patrón a microescala y este conjunto se expone a la luz ultravioleta para transferir el patrón. De hecho, el fotorresistente contiene grupos epoxi altamente ramificados (fig. 3a) y la luz ultravioleta activa la reacción fotolítica mediante la producción del iniciador fotoácido (fig. 3b), capaz de protonar los epóxidos del SU-8 e iniciar la polimerización (fig. 3c).
El patrón deseado se obtiene finalmente disolviendo el fotorresistente no reticulado: el control preciso del proceso permite conseguir la micro y nanoarquitectura deseadas en cuanto a dimensiones, profundidad y forma. El molde de SU-8 obtenido presenta el patrón inverso de la estructura final del dispositivo y se utilizará en el siguiente paso de la litografía blanda.
¿Qué es la litografía blanda?
La litografía blanda, también denominada moldeo por réplica, utiliza polímeros elastoméricos para crear sellos complementarios a un molde que presenta el diseño en negativo. Este método de patrón presenta varias ventajas, como unos costes más bajos, un alto rendimiento, una fácil configuración y una buena resolución del patrón [1].
Una vez finalizada la microfabricación mediante fotolitografía, el molde maestro puede utilizarse varias veces para producir los sellos de polímero; en concreto, el PDMS es el elastómero más habitual y ampliamente empleado para crear dispositivos microfluídicos que encuentran aplicación en diferentes campos de investigación, desde la biología hasta la química y la física.
La figura 4 muestra cómo se utiliza el PDMS en el moldeo por réplica para fabricar chips a partir de un molde con patrón de SU-8 (creado previamente mediante fotolitografía). En concreto, se vierte una mezcla de base de PDMS y agente de curado sobre el molde y se desgasifica. El sello de PDMS se separa del molde únicamente tras el proceso de polimerización mediante reticulación a 60 °C durante al menos 2 h. Por último, para obtener el dispositivo microfluídico definitivo, el sello de PDMS puede ensamblarse, por ejemplo, con un soporte de vidrio mediante un enlace covalente, utilizando un tratamiento con plasma de oxígeno.
Referencias
[1] Onur, S. et al. 3 – Micro y nanopatrones en superficies de biomateriales. «Fundamental Biomaterials: Metals», Woodhead Publishing, 2018: págs. 67-78.
[2] Bhatia, S.N. y D.E. Ingber, «Órganos en chips microfluídicos». *Nature Biotechnology*, 2014, 32: p. 760.
[3] Pinto, C.V., et al., «Proceso optimizado de SU-8 para la fabricación de microestructuras de bajo coste sin necesidad de salas blancas». Micromachines, 2014, 5(3).
[4] Lima, R. S. y otros, «Unión adhesiva con material de sacrificio: un método eficaz para la fabricación de microchips de vidrio». Scientific Reports, 2015, 5: p. 13276.
