Geen microfluïdica zonder microfabricage. Aangezien microfluïdica draait om de contrôle van vloeistoffen via apparaten zoals DNA-chips, Lab-on-Chips en Organ-on-Chips op een submillimeterschaal, is microfabricage essentieel voor het creëren van geometrisch gedefinieerde patronen.
Er zijn veel microfabricagetechnieken afkomstig uit de micro-elektronica-industrie voor de fabricage van halfgeleiders, circuits en Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS). In de microfluïdica vertegenwoordigt micropatterning de specifieke technieken die worden toegepast bij de vervaardiging van de meeste apparaten [1].
Het gehele microfabricageproces van een gangbaar micropatterning wordt weergegeven in figuur 1.
Het bestaat uit de combinatie van twee lithografietechnieken, fotolithografie en soft-lithografie, voor de fabricage van een polydimethylsilaan (PDMS) apparaat.
Wat is fotolithografie?
Fotolithografie, ook bekend als optische lithografie, is het sleutelproces voor de vervaardiging van microstructurele scaffolds. Door middel van fotolithografie is het mogelijk om een geometrisch gedefinieerd patroon te creëren in een laag van een energiegevoelig polymeer dat fotoresist wordt genoemd. De meest gebruikte fotolithografietechniek maakt gebruik van uv-licht om een specifiek patroon over te brengen van een fotomasker naar de uv-lichtgevoelige fotoresist die op een stijf substraat is aangebracht.
Meestal wordt fotolithografie in een conventionele cleanroomomgeving gebruikt om mollen te bereiden met negatieve reliëfpatronen van SU-8 fotoresist op een silicium (Si) wafer. De SU-8 is een zuurgekatalyseerd negatief fotoresist dat vaak wordt gebruikt voor de microfabricage van structuren met een hoge aspectverhouding [3].
Zoals geschematiseerd in figuur 2, wordt een uniforme film van SU-8 aangebracht op een Si wafer door middel van spin-coating. Vervolgens wordt een fotomasker met een microgeschaald patroon erbovenop geplaatst en wordt deze opstelling blootgesteld aan uv-licht om het patroon over te dragen. De fotoresist bevat inderdaad sterk vertakte epoxygroepen (Fig. 3a) en het uv-licht activeert de fotolytische reactie door de fotozuurinitiator te produceren (Fig. 3b) die de SU-8 epoxiden kan protoneren en de polymerisatie kan starten (Fig. 3c).
Het gewenste patroon wordt uiteindelijk ontwikkeld door de niet-vernetten fotoresist op te lossen: de nauwkeurige contrôle externe van het proces maakt het mogelijk om de gewenste micro- en nanoarchitectuur te bereiken in termen van afmeting, diepte en vorm. De verkregen SU-8 mal vertoont het omgekeerde patroon van de uiteindelijke apparaatstructuur en zal worden gebruikt in de volgende stap van soft-lithografie.
Wat is soft-lithografie?
Soft-lithografie, ook wel replicagieten genoemd, maakt gebruik van elastomere polymeren om stempels te creëren die complementair zijn aan een mal met het negatieve ontwerp. Deze patroonmethode heeft verschillende voordelen zoals lagere kosten, een hoge doorvoer, een eenvoudige opstelling en een goede patroonresolutie [1].
Zodra de microfabricage is voltooid door fotolithografie, kan de mastermal meerdere keren worden gebruikt om de polymeerstempels te produceren. PDMS is in het bijzonder het meest gebruikte elastaan dat breed wordt toegepast om microfluïdica-apparaten te creëren die toepassing vinden in verschillende onderzoeksgebieden, van biologie tot chemie en fysica.
Figuur 4 laat zien hoe de PDMS wordt gebruikt bij het replicagieten om chips te vervaardigen uit een met SU-8 geproduceerd mal (eerder gecreëerd door fotolithografie). In het bijzonder wordt een mengsel van PDMS-basis en verharder doorgaans op de mal gegoten en ontgast. De PDMS-stempel wordt pas van de mal gescheiden na het polymerisatieproces door middel van vernetting bij 60 °C gedurende ten minste 2 uur. Om het uiteindelijke microfluïdica-apparaat te verkrijgen, kan de PDMS-stempel vervolgens bijvoorbeeld worden samengevoegd met een glazen steun via covalente binding met behulp van een zuurstofplasmatreatment.
Referenties
[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.
