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Apr 29, 2023

高品質のラピッドプロトタイピング

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1232 (2023) この記事を引用

2522 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ソフト リソグラフィーにより、フォトリソグラフィーでパターン化されたモールドを使用してポリジメチルシロキサン (PDMS) などの変形可能なエラストマーをパターン化することにより、正確なマイクロ流体フィーチャーの迅速なプロトタイピングが可能になりました。 PDMS の柔軟性が欠点となるマイクロ流体応用では、より剛性の高いさまざまな材料が提案されています。 代替品と比較して、エポキシおよびガラスから製造されたデバイスは、優れた機械的性能、機能解像度、および溶媒適合性を備えています。 ここでは、ソフトリソグラフィーでパターン化されたエポキシとガラスから硬質マイクロ流体デバイスを製造するための詳細な段階的な方法を提供します。 接合プロトコルが最適化され、500 psi を超える圧力に耐えるデバイスが得られました。 この方法を使用して、高スループットの細胞集束のための剛性の高いアスペクト比スパイラル マイクロチャネルの使用を実証します。

ラピッドプロトタイピング技術は、反復時間と初期費用を削減することで、マイクロ流体技術の初期段階の開発を加速します。 おそらく、マイクロ流体研究で最も広く使用されているラピッド プロトタイピング技術はソフト リソグラフィーです。これには通常、シリコン ウェーハ上の微細パターン化されたフォトレジスト フィルムの型からポリジメチルシロキサン (PDMS) エラストマー部品をパターン化することが含まれます。 比較的柔らかくて丈夫な PDMS パーツが硬いシリコン型から持ち上げられます。 3D プリンティングなどの代替のラピッド プロトタイピング方法と比較した場合のソフト リソグラフィーの主な利点は、シリコン ウェーハ上の薄膜フォトリソグラフィーによってもたらされる優れたフィーチャ解像度と、単一のウェーハ モールドから複数のエラストマー デバイスを迅速に製造できる能力に由来します。 。

ただし、PDMS の変形性は、中程度の圧力が必要でチャネルの形状が重要なマイクロ流体応用には不利です。 たとえば、これは慣性マイクロ流体現象の事実上すべての研究に当てはまり、一般に比較的長いマイクロチャネル (> 1 cm) 内で比較的高圧の流れ (P > 30 psi) が必要となります。 PDMS デバイスは、わずか 15 psi で変形し始め、約 40 ～ 60 psi2 の圧力で破裂する可能性があります。 したがって、大規模な製造プロセスではPDMSよりもはるかに剛性の高い熱可塑性プラスチックが圧倒的に使用されるため、PDMSの使用は、変形性が実験変動の実質的な原因となる可能性がある研究結果とトランスレーショナル開発の両方を危険にさらす可能性があります。 このような場合、射出成形やエンボス加工のための多額の工具費用を負担する前に、まず硬い材料でマイクロ流体設計を検証することが賢明です。

これらの考察は、いくつかのグループによるリジッド デバイス プロトタイピングの新しい技術の開発の動機となり、2011 年に系統的にレビューされました3。これらの取り組みは、中間 PDMS レプリカを使用したトランスファー モールディングによる、フォトリソグラフィーで定義されたパターンからのリジッド デバイスの製造を実証しました。 評価された材料の中で、2007 年に初めて記載された熱硬化性樹脂のレシピは、最も高い剛性と最良の接着性能 (少なくとも 150 psi) を示しました4。 その後、別の透明な熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂 EpoxAcast 690 を利用して、10,000 psi に近い動作圧力での非常に高い流量での粒子集束を測定しました。 この同じ材料は、優れた化学的不活性性とガス不透過性を有することも示されました7。 また、エポキシチップには、循環腫瘍細胞をサイズに基づいて約 80% の効率で全血から捕捉する能力があることも示されました8。 これらの研究に基づいて、エポキシガラスデバイスは、特徴の忠実度、剛性、および結合強度に関して、研究された他のすべてのラピッドプロトタイピング材料と同等または優れた特性を備えていると考えられます。 総合すると、3D プリンティングやパターン化されたラミネート フィルムなどの代替のラピッド プロトタイピング方法と比較して、フォトリソグラフィーでパターン化されたデバイスは、最も高いフィーチャー解像度と壁の平滑性を備えています9。 同様に、市販のエポキシはカスタム材料よりも研究者にとって利用しやすい10。

剛性デバイスには多くの利点があるにもかかわらず、たとえ保証されていても、文献で剛性材料が使用されることはほとんどありません。 詳細なステップバイステップのプロトコルにより、すでにソフト リソグラフィーと PDMS を使用しているマイクロ流体研究室にとって、リジッド デバイスのプロトタイピングのアクセシビリティが大幅に向上する可能性があります。 このニーズに対処するために、モールドの準備とデバイスの接合における最も一般的な落とし穴とその対処方法について説明します。 さらに、プロトコルの容易さと限られたリソースを維持しながら、結合強度を最大化するために、いくつかの重要なプロセスパラメータを最適化します。

この手順は、(1) PDMS モールドの準備、(2) エポキシの注入、(3) 離型、後処理、および接着の 3 つの主要なステップで構成されます (概略図、図 1 およびサンプル画像、図 2)。 金型の準備(1)が完了したら、金型を安全に保管し、いつでも残りの製作を行うことができます。 エポキシを流し込む(2)と、翌日、20～24時間後に離型(3)が行われ、離型(3)直後に接着が行われます。 この手順は、硬いシリコン ウェーハ モールド 1 を使用した PDMS の従来のソフト リソグラフィーに精通していることを前提としています。 始める前に、シリコン ウェーハ上のパターン化された SU-8 薄膜など、目的のパターン化されたフィーチャを備えたマスター モールドが必要です。 以下に説明するように、最終デバイスのチャネルは、従来の PDMS デバイスと同様に、マスターモールド上で隆起した形状にする必要があります。

エポキシベースのマイクロ流体デバイスを製造するための全体的な手順。

プロトコル段階のサンプル画像。 左から右、上から下: (a) SU-8 ウェーハから PDMS を切り出す、(b) ペトリ皿に上を向いた PDMS レプリカ、(c) レプリカ上に PDMS を注ぐ、(d) レプリカから PDMS モールドを剥離する、(e) レプリカデバイスのない最終 PDMS モールド、(f) エポキシを含まないチューブを備えた PDMS モールド、(g) 24 時間後に PFTE ロッドが取り付けられたまま横に置かれた状態でモールドから取り出されたエポキシデバイス、(h)最終的なエポキシデバイスはスライドガラスに接着されます。

プロトコル全体に関して、いくつかの重要な観察がありました。 まず、PDMS モールドの作成に使用される TCPFOS 処理されたレプリカは再利用できますが、再利用できるのは 2 ～ 3 回だけです。 それを超えると、レプリカの表面が歪む可能性があります。 一方、PDMS デバイスの金型は何度も (10 回以上) 再利用できます。 時間が経つと、型は不透明な白色になることがあります。 デバイスや PDMS モールドには影響しません。 さらに、ポリテトラフルオロエチレン (PFTE) ロッドをわずかな角度で切断すると、金型への挿入が容易になります。 最後に、チューブの材料はエポキシ接着に適合するものを選択する必要があります。 エポキシと強力な接着を形成するポリエチレンチューブを使用しています。 Tygon® やフッ素化エチレンプロピレン (FEP) などの一般的なチューブ材料はエポキシと反応しません。

私たちは、高圧に耐えられるデバイスを確実に製造できるようにすることを目標に、いくつかのプロセス変数を最適化しました。 型を外す前の硬化時間、プラズマ処理時間、接着後のホットプレート上での放置時間などを最適化しました。 デバイスの接着強度をテストするために、ポートが 1 つだけ (つまり出口のない) デバイスを作成し、統合された圧力トランスデューサーを備えた高圧シリンジ ポンプ モデル 100Dx に接続しました。 デバイスは、故障するまで数分間かけて脱イオン水で徐々に加圧され、故障前のピーク圧力が記録されました。

まず、エポキシに利用可能な反応性基が多ければ、硬化時間を 24 時間より短くすると接着強度が向上する可能性があるという仮説を立てました。 硬化時間が 20 時間未満の場合、エポキシは柔らかすぎて粘着性があり、金型から取り外すことができませんでした。 一方、30 時間を超える硬化時間では、エポキシがほぼ完全に硬化し、スライドガラスに接着しないことが観察されました。 この範囲内では、硬化時間が短くなるほど接着圧力が高くなる傾向が観察され、試験した最低硬化時間 20 時間では最大 670 psi でした (図 3a)。

接着強度の最適化。 接着強度と (a) 硬化時間、(b) プラズマ処理の継続時間、(c) プラズマ処理後にデバイスをホット プレート上に置く時間。 圧力範囲は 650 ～ 240 psi です。 強度は、Swagelok を使用し、初期流量 1 ml/min、最終流量 0.1 ml/min で高圧ポンプをデバイスに接続することによってテストされました。 テストしたすべてのデバイスの最終的な平均重量は 6.57 g です。

次に、プラズマとホット プレートの時間が接着強度に及ぼす影響を評価しました。 スライドガラスをプラズマ処理すると表面がきれいになり、親水性が高まります。 プラズマ発生器の製造元が推奨する開始点を 20 秒としたことに基づいて、テストされたプラズマ処理時間の範囲は 0 秒から 60 秒に及びました。 少なくとも 5 秒間のプラズマ処理を受けたすべてのデバイスは同様に動作し (図 3b)、最高圧力は 30 秒後に平均 510 psi に達しました。 プラズマ処理を受けなかったデバイスの接合強度は最も低く、プラズマ処理されたデバイスが到達できた圧力のおよそ半分で失敗しました。 テストされたホット プレート時間の範囲は 0 ～ 3 分間でした。 ホット プレート上に 3 分間置いた時点で、デバイスは故障する前に平均最大値の 530 psi に達しました。 しかし、3 分後、デバイスが時々反ったり、ガラス表面から離れたりすることが観察されました。 それにもかかわらず、より多くの熱を受け取ったデバイスは、より強力であるように見えました (図 3c)。 ホットプレート上での休止時間は 1 分未満で、差は見られませんでした。

圧力掃引実験は比較的迅速 (約 2 分) であったため、デバイスが同様の高圧に長時間耐えられるかどうかもテストしました。 我々は、24 時間硬化で上記のプロトコルを使用してデバイスを製造し、100 psi の増分で加圧し、10 分ごとに 100 psi ずつ増加しました。 デバイスが 100 psi の圧力に 1 時間耐えられることが観察されました。 また、200 psi および 300 psi で少なくとも 10 分間持続することができました。 デバイスは 6 分後に 400 psi で破損しました。これは、圧力掃引実験に基づいて予想されたデバイスの強度と同様でした (図 3b)。

最後に、最適化の結果に基づいて、接着強度を最大化するのに最適であると予想されるプロトコル (硬化時間 20 時間、プラズマ処理 30 秒、ホット プレートで 3 分) を使用して 2 つの最終チップを製造しました。 その結果、デバイスは 2 つのチップに基づいて平均 714.5 psi に耐えることができ、これは最適化中の以前の最高条件よりも約 12% 高いものでした。

最適化された製造プロトコルを使用して、非常に高いアスペクト比のスパイラルマイクロチャネルを作成し、高スループットの慣性弾性細胞集束の性能をテストしました。 大量のサンプルを伴う慣性集束の生物医学用途では、損傷を避けるために細胞にかかる最大せん断応力を制限内に保つ必要があります。 後述する理由により、非常に高いアスペクト比のマイクロチャネル (つまり 10:1 以上) にはいくつかの利点があるとの仮説を立てました。 ただし、高アスペクト比のチャネルは、変形可能な材料で製造されている場合、圧力下で膨張しやすくなります。

高さ100μm、幅1mm、長さ約140mmで、全体で幅約17mmの螺旋状に巻かれた単一のマイクロチャネルを作製しました（図4a）。 ヒアルロン酸の粘弾性溶液は、一晩穏やかに混合することにより、リン酸緩衝生理食塩水に１．５ＭＤａの凍結乾燥ＨＡを０．５ｍｇ／ｍｌの濃度まで溶解することによって調製した。 約 12 μm の Jurkat 細胞を粘弾性溶液に再懸濁し、最大 2.4 ml/分の流速でらせんの中心にポンプで送り込みました。 チャネル内の細胞を10倍の明視野顕微鏡で画像化しました（図4b）。 出口付近の細胞の横方向の分布は、各流速で100枚以上のタイムラプス画像を取得し、その後画像処理して細胞をセグメント化し、それらの横方向の位置を蓄積することによって定量化されました（図4c）。 予想通り、約０．８ｍｌ／分の臨界流量を超えると、複数の細胞がマイクロチャネルの外壁（すなわち、凹面）に近い単一の安定点に集中した。 さらに、見かけの安定点は、予想と一致して、流量の増加とともに外壁に近づきました。 １ｍｌ／分を超えると、試験した最高流量まで、流量の増加に伴って集束特性がわずかに改善し続けた。

剛性と高アスペクト比のスパイラルマイクロチャネル内で集束する慣性弾性セル。 (a) マイクロチャネル形状の概略図 注入口は螺旋の中心にあります。 (b) ヒアルロン酸の粘弾性懸濁液中で流動しているジャーカット細胞の代表的な生画像および処理画像。 (c) 流量を増加させたときの内壁 (凸面) から外壁 (凹面) へのセルの横方向分布によって定量化された集束性能。

エポキシベースのマイクロ流体デバイスは変形に強く、PDMS デバイスよりも高い圧力に耐えます。 このプロトコルの開発では、すでに PDMS とソフト リソグラフィーを使用している世界中のマイクロ流体研究室がこのプロトコルをより利用しやすくすることを目的として、エポキシを高性能材料として特定した以前の研究に基づいています。

硬質エポキシデバイスを使用して、高アスペクト比のマイクロチャネルでの集束性能を研究しました。 中程度のアスペクト比のマイクロチャネル（つまり、4:1 以下）と比較して、高アスペクト比の湾曲したマイクロチャネルには、より高いレイノルズ数でのディーン流の二次渦の発生が抑制されるという利点があり、これにより、より高い流量での効率的な細胞の集束が可能になります 11。 他の者による同様の化合物の測定に基づいて、溶液 (1.5 MDa、PBS 中の 0.5 mg/ml ヒアルロン酸) の流体機械的特性は、約 5 mPa s のゼロせん断粘度、および緩和時間として大まかに見積もることができます。約10ミリ秒。 特徴的なチャネル幅が 100 μm の場合、テストされた最大流量 2.4 ml/min は、レイノルズ数約 8 およびワイセンベルグ数約 40 に相当します。観察された集束特性は、以下の流れを調査した他の研究者による結果と一致しています。同様の弾性数、ここでは El = Wi/Re = 4.812,13 です。

このプロトコルにはいくつかの潜在的な制限があります。 この手順の潜在的な制限の 1 つは、エポキシ パーツがまだ柔軟なときにモールドが離型されるため、柱や薄い壁などの高アスペクト比のフィーチャには理想的ではないことです。 非常に高いアスペクト比の機能を備えたデバイスの解放と結合には、追加の最適化と練習が必要になる場合があります。 それにもかかわらず、エポキシは、高スループット用途に優れた機械的特性と表面仕上げを提供します。 この詳細なプロトコルにより、より多くの研究室が既存の PDMS ベースのプロトタイピング ワークフローにリジッド デバイスを簡単に統合できるようになります。

パターンマスターモールド、例えば微細パターン化されたSU-8薄膜シリコンウェーハ。 最終デバイスのチャネルは、従来の PDMS デバイスを成形するためにマスターモールドを使用する場合と同様に、マスターモールド上で隆起した形状にする必要があります。

*EpoxAcastTM 690 透明エポキシ キット (https://shop.smooth-on.com/epoxacast-690)。

*トリクロロ(1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチル)シラン (TCPFOS) (Millipore Sigma、商品番号 448931、https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/448931)。

*Sylgard 184 シリコーン エラストマー キット (Ellsworth Adhesives、商品番号 4019862、https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear) -0.5kg-キット/)。

ポリテトラフルオロエチレン (PFTE) ロッド 0.07 インチ (https://www.mcmaster.com/84935K82/)。

ポリエチレン (PE) チューブ、内径 1/16 インチ (https://www.mcmaster.com/5648K67-5648K226/)。

プラスチックシャーレ100mm。

シャーレ 175 mm 蓋付き。

ボートの重さを量る。

ホットプレート。

ウルトラクリーン ガラス スライド (Fisher Scientific、商品番号 22-037-213、https://www.fishersci.com/shop/products/ultraclean-microarray-slides-enhanced-surface/22037213?searchHijack=true&searchTerm=+C22-5128) -M20&searchType=RAPID&matchedCatNo=+C22-5128-M20)。

先端が丸い金属製のスパチュラをきれいにします (https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4531745)。

ピペット。

TCPFOS 蒸着用の独立した真空チャンバー (https://www.fishersci.com/shop/products/bel-art-scienceware-space-saver-vacuum-desiccators-3/0859416A?gclid=CjwKCAiAvK2bBhB8EiwAZUbP1OvPjQ-ZJAhbEmrVHglNDxRCoS1kEZrG47Yro7f3) h4sNqjjlgiL0dRoCh7YQAvD_BwE&ef_id=CjwKCAiAvK2bBhB8EiwAZUbP1OvPjQ-ZJAAhbEmrVHglNDxRCoS1kEZrG47Yro7f3h4sNqjjlgiL0dRoCh7YQAvD_BwE: G:s&ppc_id=PLA_goog_2086145680_81843405274_0859416A__386247001354_9967139677844655410&ev_chn=shop&s_kwcid=AL!4428!3!386247001354!!!g!82772 1591040!0859416A)。

歯付き鉗子。「組織」または「ラットの歯」鉗子とも呼ばれます (https://www.wpiinc.com/14140-g-graefe-forceps-7cm-straight-07mm-1x2-teeth-german )。

*プラズマ発生器 (https://www.enerconind.com/plasma-treating/products/vintage-treaters/dyne-a-mite-hp.aspx)。

電動超高真空ポンプ (商品番号 4396K21、https://www.mcmaster.com/catalog/128/421)。

*これらの製品の安全データシートを必ずお読みになり、使用中は適切な PPE を着用してください。

このプロトコールは、粒子汚染を避けるためにクリーンルーム環境で実行するのが理想的です。

このステップでは、まずシリコン ウェーハ マスター モールドから PDMS レプリカを準備し、それを使用して PDMS モールドを鋳造します。 以下のエポキシ鋳造ステップ中に入口および出口チューブを所定の位置に保持できるように、PDMS モールドに穴を開ける必要があります。 同様に、PDMS マスターモールドは、エポキシデバイスを何回 (10 回以上) 鋳造するために再利用できます。

このプロトコルは、標準のスライドガラスと同等かそれより小さいサイズのデバイスを作成するためのものです。 小型デバイス (例: 1 ～ 3 cm2) の場合、複数の PDMS レプリカから単一の PDMS モールドを鋳造することが可能です。

型の準備で起こり得る落とし穴の 1 つは、パンチ穴がわずかに大きすぎたり、小さすぎたりすることです。 後のステップで、PFTE ロッドが穴に挿入されます。 しっかりと押し付けてエポキシが浸透するのを防ぐために、穴は PFTE ロッドの直径よりわずかに小さい (約 5%) 必要があります。 一方、パンチ穴のサイズが小さすぎる場合は、ロッドを内部に取り付けることは可能ですが、これにより PDMS 表面が伸び、ポアソン効果により表面が引き下げられてしまいます。 このプルダウンはエポキシ部品に引き継がれ、接着に問題が発生する可能性があります。

金型の準備に関する 2 番目の潜在的な落とし穴は、穴のパンチングにも関連していますが、穴の形状です。 従来の丸い生検パンチは、食い込む前に PDMS 部分を大幅に圧縮する可能性があり、弛緩した PDMS 部分の深さに応じて穴が狭くなる可能性があります。 この穴の形状により、圧入された PFTE ロッドの周囲に小さな「皿穴」の周囲が残る可能性があり、この特徴がエポキシ部品に引き継がれ、接着に問題が発生する可能性があります。

これら 2 つの問題を回避するために、パンチング中に PDMS モールドの上部に厚さ 2 mm の犠牲 PDMS スペーサーを使用します。 当社の経験では、2.0 mm の生検パンチを使用して、直径 1.8 mm の直壁の穴を開けることができます。これは、0.07 インチの PFTE ロッドストックおよび内径 1/16 インチのチューブに適しています。

時間: 15分

合計 50 g (PDMS ベース 45 g、硬化剤 5 g) の PDMS 混合物を作成します。 よく混ぜます。

SU-8 ウェーハ上に PDMS を注ぎます。

SU-8 ウェーハと PDMS を含む皿を真空チャンバーに置きます。 皿を 1 ～ 3 時間放置し、60 °C のオーブンに移して PDMS を一晩硬化させます。

時間: 15分

PDMS 鋳造物をシリコン型から静かに取り外します。

PDMS からレプリカをサイズに合わせて切り取ります。

時間: 35分

PDMS レプリカの酸素プラズマ処理を実行します。

清潔な 100 mm ペトリ皿にレプリカを置きます。

注: デバイスが小さい場合は、1 つの 100 mm ペトリ皿の型に複数のレプリカを収めるスペースがある可能性があります。 レプリカがシャーレ内で互いに接触していないことを確認します。理想的には、レプリカ間およびレプリカとペトリ皿の壁の間に少なくとも 5 mm のスペースがあります。

トリクロロパーフルオロオクチルシラン (TCPFOS) 2 μl をピペットでペトリ皿上に軽く広げ、レプリカの周囲に境界線を作ります。

注: TCPFOS は有毒です。 適切な PPE を使用してください。

ペトリ皿を専用の真空チャンバーに30分間置きます。

注: 少量の TCPFOS がペトリ皿の内面と外面の両方に堆積する可能性があるため、適切な安全上の注意に従って取り扱う必要があります。 手袋をせずに皿を扱わないでください。

時間: 15分

合計 50 g の PDMS 混合物を作成します (これにより、厚さ約 5 mm のレプリカにキャストする場合など、100 mm ペトリ皿に厚さ約 10 mm の PDMS が得られます。PDMS ベース 45 g、硬化剤 5 g)。 よく混ぜます。

混合物をデバイスを備えた 100 mm 皿に注ぎます。 完全に覆われていることを確認してください。

注: このレプリカが使用された回数をメモしてください。 2回以上使用しないでください。 将来のデバイスは歪むでしょう。

皿を真空チャンバーに置きます。 皿を 1 ～ 3 時間放置した後、60 °C のオーブンに移して PDMS を一晩硬化させます。

一晩。

時間: 15分

金属スパチュラを使用して、ペトリ皿から PDMS モールドを完全に静かに取り外します。

注: プラスチック ペトリ皿の反対側の側壁を互いに向かって非常に静かに押し、皿全体をわずかに曲げ、PDMS を皿から分離できるようにすると役立つ場合があります。 このステップ中に、レプリカが型から外れ始める可能性があります。 このステップでは、型やレプリカを傷つけたり裂いたりしないように注意してください。

清潔な金属製のスパチュラまたはピンセットを使用して、PDMS レプリカを金型から静かに取り外します。

注: レプリカが型から分離し始めるまで、PDMS 型全体をゆっくりと曲げると役立つ場合があります。 このステップでは、モールドやレプリカを傷つけたり裂いたりしないように注意してください。

PDMS 金型の端から余分なリップを切り取ります。 テーブルの上でレベルをテストし、軽くたたいてください。 テーブルと面一になるようにしてください。

2.0 mm の穴パンチを使用して、必要な穴を打ち抜きます。 PDMS を持ち上げて、反対側から PDMS プラグを打ち抜きます。

注: パンチ穴の上に PDMS の予備部分を使用することをお勧めします。 これにより、プロトコルの「PDMS 金型の準備」セクションで説明されている穴のネックダウンが防止されます。

重要なポイントで述べたように、Tygon® や FEP などの特定の材料はエポキシと反応しません。 このプロトコル以外の他の材料を使用する場合は、それらがエポキシと反応することを確認してください。

PFTE ロッドを PE チューブに挿入する目的は、エポキシの注入と硬化中に PE チューブを所定の位置に保持することです。 また、エポキシが穴に漏れた場合でも、チューブとマイクロフィーチャー間の接続が開いた状態が確保されます。 プロトコルの「解放と結合」セクションでは、後でロッドがデバイスの下から取り出されます。

開始する前に、使用する表面とチューブを 70% エタノールで必ず洗浄してください。

時間: 5分

PFTE ロッドを 6 mm に、PE チューブを 2 cm にカットします。

注: PFTE チューブを斜めに切断すると、挿入時にチューブをガイドしやすくなります。

PFTE ロッドを PE チューブに配置します。 ロッドを大きなチューブの奥まで入れる必要はありません。 深さは1mmあれば十分です。

チューブを最初にロッドから金型の穴に 1 回のスムーズな動作で配置します。 チューブは PDMS モールドの上部から少なくとも 1 ～ 2 mm 下にある必要があります。 チューブを金型の奥まで押し込まないでください。 型の途中まで入れるだけで十分です。 チューブは金型の上に約 1 ～ 2 mm のスペースが必要です。 参考として図 1 を参照してください。 このステップ中に金型の表面を傷つけたり破れたりしないように注意してください。

注: 以下のエポキシ混合物を準備している間、金型とチューブが入ったペトリ皿を真空チャンバー内に約 15 分間放置しても構いません。 私たちの経験では、エポキシを注入する前に PDMS モールドを脱気すると、最終的なエポキシ パーツ内の小さな気泡を防ぐことができます。

すべてのエポキシ作業は換気の良い場所で行う必要があります。 エポキシを使用する前に、安全データシートをすべて読んでください。 このプロトコルで使用されるエポキシのポッティングライフは 5 時間です。 エポキシのこぼれは 70% エタノールで拭き取ることができます。 マイクロピペットを使用して小さな金型にエポキシを注ぐ場合は、エポキシがマイクロピペットに入らないように必ずフィルター付きのチップを使用してください。

時間: 10分

必要な量の混合物を秤量ボートに計量します。 使用前にエポキシ混合物のボトルをよく振ってください。 パートＡとパートＢの使用比率は１０ｇ：３ｇである。

注: 両方の部品の密度は水とは異なります。 追加部品の質量は直接測定する必要があります。 パート A はパート B よりもはるかに粘度が高くなります。正確に調製するための 1 つの戦略は、おおよその量のパート A をボトルから直接注ぎ、次に 10:3 の比率に一致するパート B の正確な量を計算し、パート B を徐々に追加することです。

混合物をドラフトに入れます。 3分間よく混ぜます。

エポキシ混合物を電動超高真空ポンプに入れてエポキシを脱気します。

気泡の発生に注意してください。 泡が表面に上がり、結合してはじけます。 最初の泡が沸騰し始めたら、マシンの電源を切ります。

トラブルシューティング: ポンプをオフにしてもまだ多くの泡が残っている場合は、空気を抜く前に数分間放置して泡を自然に弾かせてください。 ガス抜き後もエポキシにまだ気泡が残っている場合は、再度真空を実行してください。

エポキシ混合物を金型の最下点まで非常にゆっくりとアリコートします。 エポキシを金型内に自然に広げます。 エポキシが溢れたり、泡が立ったりしないようにしてください。 PDMS モールドの上部と同じ高さになるようにする必要があります。

注: モールドに泡が入った場合は、ピペットを使用して余分なエポキシを除去できます。 キムワイプ® を使用して、エポキシ モールドの上部を水平になるまで触れて、余分なエポキシを吸収することもできます。

トラブルシューティング: PDMS フィーチャに閉じ込められた小さな気泡が見える場合があります。 プラスチックの 10 μl ピペット チップを使用し、金型を優しくブラッシングして金型表面から気泡を解放し、気泡をエポキシの上部に上昇させると効果的です。 エポキシの上に浮いている気泡は許容されますが、通常は硬化中に破裂します。

ペトリ皿をドラフト内に置きます。 余分なエポキシは廃棄する前に換気フード内に 24 時間放置します。

エポキシを一晩放置し、周囲温度とエポキシの厚さに応じて通常は約 22 ～ 24 時間硬化させます。 上で説明したように、長時間硬化させたデバイスは一般に金型からの取り外しが容易になりますが、接着強度は低くなります。

一晩

結合能力のばらつきは、手順のこのセクションによって異なります。 硬化時間、プラズマ処理時間、ホット プレート上の休止時間によるこれらの影響はすべて観察され、結果に記載されています。 PFTE ロッドを取り外した後に発生する「フェザリング」、つまりロッドを引き抜いた際に現れたデバイスにまだ付着している余分なエポキシなどの細部に注意してください。 PDMS モールドから取り外した後にデバイスの底部をいじると、完全な結合が影響を受ける可能性があります。 薄い壁やその他の繊細な機能を備えたデバイスを接着するには、練習が必要です。

プラズマ発生器を使用する場合は、適切な安全対策を講じてください。

時間: 10分

デバイスの端の周りを素早く少し曲げます。 部分的に硬化したエポキシは、硬く、ゴム状で、粘着性があるように感じられます。 エッジが PDMS から解放されている場合は、デバイスの下から見ることができます。

トラブルシューティング: この段階でデバイスが金型からはっきりと離れていない場合は、デバイスが柔らかすぎるため、硬化するのにさらに時間がかかります。 1 ～ 2 時間後にもう一度確認して、もう一度試してください。

チューブを持ちながら、デバイスを PDMS から素早く真っ直ぐに引き出します。 エポキシ部品は型の取り外し中に変形する可能性がありますが、離型後数秒以内にリラックスし始め、成形された形状に戻ります。

注: ロッドを回転させないでください。 もう一方の手で、モールドを曲げてエポキシ デバイスから遠ざけてみることもできます。 これは、デバイスを部分的に解放し、デバイスを引き出すときに PDMS 壁を引き離すのに役立ちます。

対応するチューブを持ち、ピンセットを使用して下から PFTE ロッドを非常に素早く引き抜きます。 チップの底面には触れないでください。 チューブを少し曲げると効果的ですが、チューブをねじらないでください。 破片が出てきたら、デバイスを皿に横にして置きます。

注: ゆっくりと行うと、チップに曲がりが残る可能性があります。 使用する道具の項で紹介したピンセットを使うとロッドを掴みやすくなるのでおすすめです。

トラブルシューティング: 「フェザリング」が残っている場合は、最近取り外したチューブを使用して、フェザリングを穴にそっと押し戻します。

熱いところを70℃くらいに温めます。

きれいなスライドガラスの酸素プラズマ処理を実行します。

注: プラズマ処理されたガラスは大気中で徐々に反応性を失うため、できるだけ早く、理想的には数分以内に使用する必要があります。

スライドガラスをホットプレートに移動します。

注: 接着する表面には触れないようにしてください。

デバイスをスライドガラス上にそっと落とします。 ホットプレート上で20〜30秒間放置します。 エポキシの上部を軽く叩いて、デバイスがガラス上にあり、気泡がないことを確認します。 強く押しすぎると、チャネルが崩壊する可能性があります。 デバイスの接着部分が上から見えます。

背後にある光源を使用して、ガラスの反射で気泡を確認します。 ガラスに接着されている部分は、接着されていない部分よりも暗くなります。 ほとんどの場合、チップをバブルの上のスライドガラスに直接しっかりと押し込むことで取り出すことができます。 デバイスを強く押しすぎると、薄い壁や溝も簡単に崩れてしまう可能性があるので注意してください。

注: この手順は、アスペクト比の高いチャンネルではより難しく、練習が必要になる場合があります。

新しいエポキシ製のマイクロ流体デバイスを実験に使用する前に、完全に硬化するまで 24 時間放置します。 デバイスは、硬化が完了するまで、および完全な手順が完了した後も周囲温度で保管できます。

この研究から収集されたデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、このプロトコルに関するフィードバックをいただいた Jon Edd、Kaustav Gopinathan、Li Zhan に感謝します。

資金は米国国立衛生研究所 (1K99AI167063 および R01CA260304) によって提供されました。

米国マサチューセッツ州ボストン、マサチューセッツ総合病院、医学および外科工学センター

カーリー・レイン、メフメット・トナー＆ディープ・ラヴァーズ

ハーバード大学医学部、ボストン、マサチューセッツ州、米国

メフメット・トナー＆ディープ・ラヴァーズ

シュライナーズ小児病院、米国マサチューセッツ州ボストン

メフメット・トナー＆ディープ・ラヴァーズ

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CRとDSは実験を行った。 MT と DS は実験を考案し、計画しました。 CRとDSは図を用意して原稿を書きました。 著者全員が原稿をレビューし、改訂しました。

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転載と許可

Rein, C.、Toner, M.、Sevenler, D. 高圧マイクロ流体工学のラピッドプロトタイピング。 Sci Rep 13、1232 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28495-2

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受信日: 2022 年 11 月 28 日

受理日: 2023 年 1 月 19 日

公開日: 2023 年 1 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28495-2

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