Исследование технологии изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии

   Цель. Исследовать особенности технологии производства микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии, включая этапы: проектирования структуры каналов; изготовления форм различными методами на подложках из стекла, фольгированного текстолита и кремния; подбора необходимого полимера, режимов его полимеризации, обработки формы антиадгезивом, заливки компаундом, и последующего отделения, «активации» и последующего склеивания полученной заготовки с подготовленным стеклом.

   Методы. Проведение экспериментов по фотолитографии осуществлялось при использовании монохроматического источника светового излучения Anycubic Wash and Cure 2.0 на подложках фольгированного текстолита, предметного стекла и кремниевых пластин. Изготовление опалубки для конструктов было реализовано на принтере FDM – FlyingBear Ghost 5. В качестве полимерной основы использовался полидиметилсилоксан марок Силагерм 2104 и 2106. Для процесса склеивания применялась плазменная установка низкого давления Diener PICO с воздушной средой.

   Результаты. Исследованы аспекты технологии изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии, рассмотрено влияние времени экспонирования, способа укрывания шаблоном для переноса, а также материала подложки. Проведены эксперименты с различными режимами полимеризации ПДМС, различными вариантами конструктов, исследованы их механические свойства. Изучено влияние давления газов в вакуумной камере при плазменной активации поверхности полимерной реплики на качество формирования структуры в микрофлюидном чипе.

   Вывод. Результатом экспериментов стало определение кремниевой подложки как наилучшего материала мастер-формы для мягкой литографии. Определены параметры для упрощенного, удешевлённого и безопасного плазменного склеивания реплики из ПДМС и стекла. Полученные результаты могут быть применены как протоколы изготовления микрофлюидных устройств силами малых исследовательских лабораторий.

1. Microfluidic nanomaterials: From synthesis to biomedical applications Illath / K.K. Illath, S. Kar, P. Gupta, A. Shinde, S. Wankhar, F.-G. Tseng [et al.] // Biomaterials. 2022. Vol. 280. P. 121247. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.121247.

2. Microfluidic chips: recent advances, critical strategies in design, applications and future perspectives / P. Pattanayak, S.K. Singh, M. Gulati, S. Vishwas, B. Kapoor, D.K. Chellappan // Microfluidics and nanofluidics. 2021. Vol. 25, no. 12. P. 99. doi: 10.1007/s10404-021-02502-2.

3. Microfluidic devices: a tool for nanoparticle synthesis and performance evaluation / S. Gimondi, H. Ferreira, R.L. Reis, N.M. Neves // ACS nano. 2023. Vol. 17, no. 15. P. 14205-14228. doi: 10.1021/acsnano.3c01117.

4. Fabrication and applications of microfluidic devices : A review / A.G. Niculescu, C. Chircov, A.C. Bîrcă, A.M. Grumezescu // International journal of molecular sciences. 2021. Vol. 22, no. 4. P. 2011. doi: 10.3390/ijms22042011.

5. Modular microfluidics for life sciences / J. Wu, H. Fang, J. Zhang, S. Yan // Journal of Nanobiotechnology. 2023. Vol. 21, no. 1. P. 85. doi: 10.1186/s12951-023-01846-x.

6. High ZT and performance controllable thermoelectric devices based on electrically gated bismuth telluride thin films / D. Qin, F. Pan, J. Zhou, Z. Xu, Y. Deng // Nano Energy. 2021. Vol. 89. P. 1–8. doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106472.

7. Frienda J., Yeo L. Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane // Biomicrofluidics. 2010. Vol. 4, no. 2. 026502. doi: 10.1063/1.3259624.

8. Materials and methods for droplet microfluidic device fabrication / K.S. Elvira, F. Gielen, S.S.H. Tsai, A.M. Nightingale // Lab on a Chip. 2022. Vol. 22, no. 5. P. 859-875. doi: 10.1039/D1LC00836F.

9. Niculescu A.G., Mihaiescu D.E., Grumezescu A.M. A review of microfluidic experimental designs for nanoparticle synthesis // International Journal of Molecular Sciences. 2022. Vol. 23, no. 15. P. 8293. doi: 10.3390/ijms23158293.

10. Scott S.M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices : An overview // Micromachines. 2021. Vol. 12, no. 3. P. 319. doi: 10.3390/mi12030319.

11. Альтернативные подходы при создании мастер-форм для изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии / Я.С. Посмитная, А.С. Букатин, Д.А. Макаров, К.В. Юдин, А.А. Евстранов // Научное приборостроение. 2017. Т. 27, № 2. С. 13-20.

12. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers / S. Waheed, J.M. Cabot, N.P. Macdonald, T. Lewis, R. M. Guijt, B. Paull, M.C. Breadmore // Lab Chip. 2016. Vol. 16. P. 1993-2013. doi: 10.1039/C6LC00284F.

13. Photo and soft lithography for organ-on-chip applications / E. Ferrari, F. Nebuloni, M. Rasponi, P. Occhetta // Organ-on-a-chip: methods and protocols. New York, NY: Springer US, 2021. P. 1-19. doi: 10.1007/978-1-0716-1693-2_1.

14. Fabrication and characterization of a PDMS–glass hybrid continuous-flow PCR chip / J.A. Kim, J.Y. Lee, S. Seong, S.H. Cha, S.H. Lee, J.J. Kim [et al.] // Biochemical Engineering Journal. 2006. Vol. 29, no. 1-2. P. 91-97. doi: 10.1016/j.bej.2005.02.032.

15. Accounting for PDMS shrinkage when replicating structures / M.H. Madsen, N. Feidenhans'l, P.-E. Hansen, J. Garnaes, K. Dirscherl // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. Vol. 24, no. 12. P. 127002. doi: 10.1088/0960-1317/24/12/127002.

16. Xiong L., Chen P., Zhou Q. Adhesion promotion between PDMS and glass by oxygen plasma pre-treatment // Journal of Adhesion Science and Technology. 2014. Vol. 28, no. 11. P. 1046-1054. doi: 10.1080/01694243.2014.883774.

17. Resolution and sensitivity of a resist with and without hexamethyldisilazane determined using profilometry / H. Horibe, M. Yamamoto, S. Takamatsu, T. Ichikawa // Journal of Photopolymer Science and Technology. 2006. Vol. 19, no. 1. P. 75-80. doi: 10.2494/photopolymer.19.75.