Non esiste microfluidica senza microfabbricazione. Poiché la microfluidica si occupa del controllo dei fluidi attraverso dispositivi quali chip a DNA, Lab-on-Chip e Organ-on-Chip su scala sottomillimetrica, la microfabbricazione è essenziale per la creazione di pattern geometricamente definiti.
Esistono molteplici tecniche di microfabbricazione derivate dall'industria della microelettronica per la produzione di semiconduttori, circuiti e sistemi microelettromeccanici (MEMS). Nella microfluidica, il micropatterning rappresenta l'insieme delle tecniche specifiche coinvolte nella produzione della maggior parte dei dispositivi [1].
L'intero processo di microfabbricazione di un tipico micropatterning è illustrato nella figura 1.
Esso consiste nella combinazione di due tecniche di litografia, la fotolitografia e la soft-lithography, per la fabbricazione di un dispositivo in polidimetilsilossano (PDMS).
Cos'è la fotolitografia?
La fotolitografia, nota anche come litografia ottica, è il processo chiave per la fabbricazione di scaffold di microstrutture. Tramite la fotolitografia è possibile creare un pattern geometricamente definito in uno strato di polimero fotosensibile chiamato photoresist. La tecnica di fotolitografia più ampiamente utilizzata impiega la luce UV per trasferire un pattern specifico da una fotomaschera al photoresist sensibile ai raggi UV depositato su un substrato rigido.
Solitamente, nelle più comuni strutture in camera bianca, la fotolitografia viene impiegata per preparare stampi con pattern a rilievo negativo in photoresist SU-8 su un wafer di silicio (Si). L'SU-8 è un photoresist negativo catalizzato da acido, spesso utilizzato per la microfabbricazione di strutture ad alto rapporto d'aspetto [3].
Come schematizzato nella figura 2, un film uniforme di SU-8 viene depositato per centrifugazione (spin-coating) su un wafer di Si; successivamente viene sovrapposta una fotomaschera con un pattern su scala micrometrica e l'insieme viene esposto alla luce UV per trasferire il pattern. Il photoresist contiene infatti gruppi epossidici altamente ramificati (Fig. 3a) e i raggi UV attivano la reazione fotolitica producendo un fotoiniziatore acido (Fig. 3b) capace di protonare i gruppi epossidici dell'SU-8 e avviare la polimerizzazione (Fig. 3c).
Il pattern desiderato viene infine sviluppato dissolvendo il photoresist non reticolato: il controllo preciso del processo consente di ottenere la micro- e nanoarchitettura desiderata in termini di dimensioni, profondità e forma. Lo stampo in SU-8 così ottenuto presenta il pattern inverso rispetto alla struttura finale del dispositivo e verrà utilizzato nella fase successiva di soft-lithography.
Cos'è la soft-lithography?
La soft-lithography, nota anche come stampaggio per replica, utilizza polimeri elastomerici per creare timbri complementari a uno stampo che reca il disegno negativo. Questo metodo di patterning presenta numerosi vantaggi, tra cui costi inferiori, elevata produttività, facilità di configurazione e buona risoluzione dei pattern [1].
Una volta completata la microfabbricazione tramite fotolitografia, lo stampo master può essere riutilizzato più volte per produrre i timbri polimerici. In particolare, il PDMS è l'elastomero più comune e ampiamente impiegato per la creazione di dispositivi microfluidici che trovano applicazione in diversi campi di ricerca, dalla biologia alla chimica e alla fisica.
La Figura 4 mostra come il PDMS venga impiegato nello stampaggio a replica per fabbricare chip a partire da uno stampo strutturato in SU-8 (precedentemente realizzato mediante fotolitografia). Nello specifico, una miscela di base in PDMS e agente reticolante viene solitamente colata sullo stampo e degassata. Il timbro in PDMS viene separato dallo stampo solo dopo il processo di polimerizzazione tramite reticolazione a 60 °C per almeno 2 ore. Infine, per ottenere il dispositivo microfluidico finale, il timbro in PDMS può essere assemblato, ad esempio, con un supporto in vetro attraverso un legame covalente sfruttando un trattamento al plasma di ossigeno.
Riferimenti
[1] Onur, S. et al. 3 – Micro- and nanopatterning of biomaterial surfaces. Fundamental Biomaterials: Metals, Woodhead Publishing, 2018: p. 67-78.
[2] Bhatia, S.N. and D.E. Ingber, Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology, 2014. 32: p. 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: p. 13276.
