Microfabricatietechnieken voor polymeren in microfluidics: een overzicht

De revolutie van de microfluïdica in de onderzoekswereld heeft, ongeacht de toepassing, geleid tot een enorme groei in het assortiment materialen en processen dat wordt gebruikt om deze devices te vervaardigen. Vandaag de dag lijkt het lithografieproces en de varianten daarvan het meest voor de hand te liggen gezien de dominantie van microfluïdische devices die worden vervaardigd met polymeren zoals PDMS. In dit overzicht richten we ons op de belangrijkste microfabricageprocessen voor polymeren in de microfluïdica.

Fotolithografie

Fotolithografie is een goedkope, eenvoudige, snelle en betrouwbare productietechniek omdat hiermee op consistente wijze patronen kunnen worden verkregen. Deze techniek maakt gebruik van een mengsel van hydrogelprecursor en foto-initiator. Deze ondergaan vervolgens een cross-linking-reactie wanneer ze worden blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht (Figuur 1). Het voordeel van deze techniek is dat de UV-blootstelling op de hydrogelprecursor kan worden gereguleerd door gebruik te maken van een fotomasker waarop de gewenste patronen zijn voorbedrukt [Rivest C et al. 2007 J Mech Mater Struct]. Zodra de fotocross-linking is voltooid, wordt het niet-gereageerde polymeer eenvoudig weggespoeld. Fotolithografie maakt resoluties mogelijk in de orde van millimeters tot micrometers, wat eindeloze mogelijkheden biedt voor onderzoek, met name in de tissue engineering.

Bovendien kan het worden gecombineerd met andere technieken, wat het uiterst populair maakt. De nadelen van deze techniek zijn de noodzaak om fotocupeerbare polymeerprecursors te gebruiken en de mogelijke DNA-schade in cellen als gevolg van de foto-initiator, die vrije radicalen vormt bij blootstelling aan UV-licht [Slaughter BV et al. 2009 Adv Mater].

Soft-lithografie

Soft-lithografie is tevens een veelgebruikte methode voor de vervaardiging van polymeren met een gecontroleerde vorm en grootte (Figuur 1).

Soft lithografie, waaronder microcontactprinting (μCP), micro-transfermolding (μTM), replica molding (REM), micromolding in capillaries (MIMIC), spuitgieten en vele andere processen [Sahin et al. Fundamental Biomaterials: Metals], kan worden toegepast in een breed scala aan toepassingen, zoals biosensoren, het sturen van celadhesie, drug screening, celceltscheiding en tissue engineering.

Het principe van soft lithografie berust op het gieten of printen van patronen van biologische moleculen met een nauwkeurig gecontroleerde ruimtelijke verdeling en topografie [2]. Deze techniek wordt hoofdzakelijk gebruikt voor het produceren van polymeren op microscalige schaal met een gecontroleerde vorm. Concreet wordt een gestructureerde elastomere mal op een vloeibare prepolymeeroplossing geplaatst, waarna deze kan polymeriseren, wat de complementaire eigenschappen van de hydrogel oplevert. Tijdens dit proces vult de vloeistof de patronen op de elastomeerreplica dankzij de verschijnselen van oppervlaktespanning en capillaire stroming.

Een aantal voordelen zorgt ervoor dat deze techniek veel wordt toegepast, zoals toegankelijkheid, eenvoud, kosteneffectiviteit, flexibiliteit, veelzijdigheid en tijdbesparing. Deze techniek maakt een nauwkeurige controle mogelijk over de grootte en vorm van de gecreëerde structuren [16], en vereist geen dure instrumentatie [Whitesides GM 2001 Annu Rev Biomed Eng]. Soft lithografie kent echter wel beperkingen bij ionisch of chemisch vernette hydrogel-substraten, zoals chitosan of alginaat [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].

PDMS is het aangewezen materiaal voor het vervaardigen van mallen op microniveau. PDMS wordt geproduceerd door een siliconelastomeer en een verhardingsmiddel te mengen, dat vervolgens op een gemodelleerde en thermisch uitgeharde matrix wordt gegoten. Dit levert de bijbehorende replica op die kan worden gebruikt voor micro-modellering om hydrogel-microstructuren te produceren [Shin H 2007 Biomaterials]. Zoals reeds vermeld in het materiaaloverzicht, is PDMS een poreus biocompatibel elastomeer, dat de voorkeur geniet bij celculturen. Bovendien kan het oppervlak hydrofiel worden gemaakt door middel van een plasmareiniger. Naast PDMS worden ook polyimiden, epoxies en polyurethanen gebruikt bij vormgevingsstudies.

Bioprinten

Bioprinten is een techniek die gebaseerd is op computer-aided design (CAD). Bij deze techniek vindt de depositie van polymeren plaats met behulp van een printer op een gecontroleerde manier in tijd en ruimte (Figuur 1) [Song SJ 2010 Artif Organs]. CAD-gebaseerde technologieën zijn recentelijk populair geworden bij de vervaardiging van poreuze scaffolds, net als 3D-printen. Hierbij kunnen de cellen tijdens de printzelf in de secundaire structuren worden geïntroduceerd [Khalil S and Sun W 2009 J Biomech Eng]. Deze techniek maakt het mogelijk om complexe 3D-micro-omgevingen te genereren met behulp van deze bioprintsystemen, waarin cellen in polymeren zijn ingebed om natuurlijke weefsels na te bootsen [Song SJ 2010 Artif Organs].

Deze benadering maakt zeer nauwkeurige controle over de vorm en afmetingen van structuren mogelijk (resolutie van tientallen tot honderden μm). De meest voorkomende methoden voor bioprinten omvatten cel-inkjetprinten, celdepositie met behulp van een spuit, laserschrijven [Song SJ 2010 Artif Organs], door laser geïnduceerd bioprinten [Guillotin B and Guillemot F 2011 Trend Biotechnol] en rapid prototyping-technologieën [Buyukhatipoglu K et al. 2010 Tissue Eng Part C-Methods]. Inkjetprinten is een snelle en kosteneffectieve techniek, maar heeft vele nadelen, zoals mechanische krachten op de cellen en het feit dat de printnozzles bij hoge dichtheden verstopt kunnen raken [Guillotin B and Guillemot F 2011 Trend Biotechnol].

Laser-assisted bioprinting (LAB), een andere bioprinttechniek, is een nuttige methode voor het printen van cellen, polymeren of biomoleculen. Deze techniek maakt gebruik van een laserabsorberende tussenlaag en laat daardoor geen directe interactie toe tussen de inkt en de laserstraal [Guillemot et al. 2010. Nanomedicine].