Creación rápida de prototipos para alta

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 1232 (2023) Citar este artículo

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La litografía blanda ha permitido la creación rápida de prototipos de características microfluídicas precisas mediante el modelado de un elastómero deformable como el polidimetilsiloxano (PDMS) con un molde modelado fotolitográficamente. En aplicaciones de microfluidos donde la flexibilidad de PDMS es un inconveniente, se han propuesto una variedad de materiales más rígidos. En comparación con las alternativas, los dispositivos fabricados con epoxi y vidrio tienen un rendimiento mecánico, una resolución de características y una compatibilidad con solventes superiores. Aquí proporcionamos un método detallado paso a paso para la fabricación de dispositivos microfluídicos rígidos a partir de vidrio y epoxi estampados de litografía suave. El protocolo de unión se optimizó para producir dispositivos que soportan presiones superiores a 500 psi. Con este método, demostramos el uso de microcanales espirales rígidos de alta relación de aspecto para el enfoque celular de alto rendimiento.

Las técnicas de creación rápida de prototipos aceleran el desarrollo de las primeras etapas de las tecnologías de microfluidos al reducir el tiempo de iteración y los costos iniciales. Quizás la técnica de creación rápida de prototipos más utilizada para la investigación de microfluidos es la litografía blanda, que normalmente implica el modelado de una pieza de elastómero de polidimetilsiloxano (PDMS) a partir de un molde de película fotorresistente con micropatrones en una oblea de silicio1. La parte de PDMS relativamente blanda y resistente se separa del molde rígido de silicona. Las principales ventajas de la litografía blanda, en comparación con los métodos alternativos de creación rápida de prototipos, como la impresión 3D, se derivan de la excelente resolución de características que ofrece la fotolitografía de película delgada en obleas de silicio, así como la capacidad de producir rápidamente múltiples dispositivos elastoméricos a partir de un solo molde de obleas. .

Sin embargo, la deformabilidad de PDMS es desfavorable para aplicaciones de microfluidos que involucran presiones moderadas y donde la geometría del canal es importante. Por ejemplo, este es el caso de prácticamente todos los estudios de fenómenos de microfluidos inerciales, que generalmente involucran flujos de presión relativamente alta (P> 30 psi) en microcanales relativamente largos (> 1 cm). Los dispositivos PDMS comienzan a deformarse a tan solo 15 psi y pueden romperse a presiones de alrededor de 40 a 60 psi2. Por lo tanto, el uso de PDMS puede poner en peligro tanto los resultados de la investigación, donde la deformabilidad puede ser una fuente sustancial de variabilidad experimental, como el desarrollo traslacional, ya que los procesos de fabricación a gran escala utilizan termoplásticos que son mucho más rígidos que el PDMS. En estos casos, sería prudente validar primero los diseños de microfluidos en un material rígido antes de asumir los costos sustanciales de herramientas para moldeo por inyección o estampado.

Estas consideraciones motivaron el desarrollo de nuevas técnicas para la creación de prototipos de dispositivos rígidos por parte de varios grupos, revisadas sistemáticamente en 20113. Estos esfuerzos demostraron la fabricación de dispositivos rígidos a partir de un patrón definido fotolitográficamente mediante moldeo por transferencia utilizando una réplica intermedia de PDMS. Entre los materiales evaluados, la receta termoestable descrita por primera vez en 2007 exhibió la mayor rigidez y el mejor rendimiento de unión (al menos 150 psi)4. Posteriormente, se utilizó otro termoestable transparente, la resina epoxi EpoxAcast 690, para medir el enfoque de partículas a velocidades de flujo muy altas a presiones operativas cercanas a 10 000 psi5,6. Este mismo material también demostró tener una excelente inercia química e impermeabilidad a los gases7. También se demostró que un chip de epoxi tenía la capacidad de capturar células tumorales circulantes de sangre completa en función de su tamaño con una eficiencia de alrededor del 80 %8. Según estos estudios, se puede considerar que los dispositivos de vidrio epoxi tienen características iguales o superiores a todos los demás materiales de creación rápida de prototipos estudiados con respecto a la fidelidad de las características, la rigidez y la fuerza de unión. En conjunto, en comparación con los métodos alternativos de creación rápida de prototipos, como la impresión 3D o las películas laminadas con patrones, los dispositivos con patrones fotolitográficos tienen la resolución de características y la uniformidad de pared más altas9. Asimismo, los epoxi disponibles en el mercado son más accesibles para los investigadores que los materiales personalizados10.

A pesar de las muchas ventajas de los dispositivos rígidos, los materiales rígidos rara vez se utilizan en la literatura, incluso cuando están garantizados. Un protocolo detallado paso a paso puede mejorar en gran medida la accesibilidad de la creación de prototipos de dispositivos rígidos para los laboratorios de microfluidos que ya utilizan litografía blanda y PDMS. Para abordar esta necesidad, describimos los errores más comunes en la preparación de moldes y la unión de dispositivos, y cómo se pueden abordar. Además, optimizamos varios parámetros clave del proceso para maximizar la fuerza de unión mientras mantenemos la facilidad y los recursos limitados del protocolo.

El procedimiento consta de tres pasos principales: (1) preparación del molde PDMS, (2) vertido de epoxi y (3) desmoldeo, posprocesamiento y unión (esquema, Fig. 1 e imágenes de ejemplo, Fig. 2). Después de la preparación del molde (1), el molde se puede almacenar de forma segura y el resto de la fabricación se puede realizar en cualquier momento. Cuando se vierte el epoxi (2), el desmoldeo (3) se realiza al día siguiente, después de 20 a 24 h, y la unión se realiza inmediatamente después del desmoldeo (3). Este procedimiento supone que está familiarizado con la litografía blanda convencional de PDMS utilizando un molde rígido de obleas de silicio1. Antes de comenzar, necesitará un molde maestro con las características estampadas deseadas, como una película delgada SU-8 estampada sobre una oblea de silicio. Como se describe a continuación, los canales en el dispositivo final deben tener características elevadas en el molde maestro, al igual que para los dispositivos PDMS convencionales.

Procedimiento general para fabricar un dispositivo microfluídico basado en epoxi.

Imágenes de ejemplo de etapas del protocolo. De izquierda a derecha y de arriba a abajo: (a) corte de PDMS de la oblea SU-8, (b) réplica de PDMS en la placa de Petri hacia arriba, (c) vertido de PDMS sobre la réplica, (d) liberación del molde de PDMS de la réplica , (e) el molde de PDMS final sin el dispositivo de réplica, (f) el molde de PDMS con tubería sin epoxi, (g) el dispositivo de epoxi extraído del molde después de 24 h con las varillas de PFTE aún unidas colocadas de costado, y (h) el dispositivo de epoxi final unido a un portaobjetos de vidrio.

Con respecto al protocolo en su conjunto, tuvimos varias observaciones importantes. En primer lugar, las réplicas tratadas con TCPFOS que se utilizan para fabricar el molde PDMS se pueden reutilizar, pero solo 2 o 3 veces. Más allá de eso, la superficie de la réplica puede deformarse. Por otro lado, los moldes del dispositivo PDMS se pueden reutilizar muchas (más de 10) veces. Con el tiempo, el moho puede adquirir un color blanco opaco. No afecta al dispositivo ni al molde PDMS. Además, cortar las varillas de politetrafluoroetileno (PFTE) en un ligero ángulo puede facilitar su inserción en los moldes. Finalmente, el material de la tubería debe seleccionarse para que sea compatible con la unión con epoxi. Usamos tubería de polietileno, que forma un vínculo fuerte con el epoxi. Los materiales de tubería comunes como Tygon® o etileno propileno fluorado (FEP) no reaccionarán con el epoxi.

Optimizamos varias variables de proceso con el objetivo de poder fabricar dispositivos confiables que pudieran soportar altas presiones. Se optimizó el tiempo de curado antes de la eliminación del molde, el tiempo de tratamiento con plasma y la duración del tiempo de reposo en la placa caliente después de la unión. Para probar la fuerza de unión de un dispositivo, fabricamos el dispositivo con un solo puerto (es decir, sin salidas) y lo conectamos a la bomba de jeringa de alta presión modelo 100Dx con un transductor de presión integrado. El dispositivo se presurizó gradualmente con agua desionizada en el transcurso de varios minutos hasta la falla, y se registró la presión máxima antes de la falla.

Primero, planteamos la hipótesis de que usar un tiempo de curado más corto que 24 h puede aumentar la fuerza de unión si el epoxi tiene más grupos reactivos disponibles. Para tiempos de curado inferiores a 20 h, el epoxi era demasiado blando y pegajoso para retirarlo del molde. Por otro lado, para tiempos de curado superiores a 30 h, observamos que el epoxi se había endurecido casi por completo y no se adhería al portaobjetos de vidrio. Dentro de esta ventana, observamos una tendencia hacia presiones de unión más altas en tiempos de curado más bajos, con un máximo de 670 psi en el tiempo de curado más bajo probado de 20 h (Fig. 3a).

Optimización de la fuerza de unión. Resistencia de la unión frente a (a) tiempo de curado, (b) duración del tratamiento con plasma y (c) tiempo que el dispositivo descansa sobre una placa caliente después del tratamiento con plasma. Las presiones varían de 650 a 240 psi. La resistencia se probó conectando una bomba de alta presión a los dispositivos utilizando un Swagelok con un caudal inicial de 1 ml/min y un caudal final de 0,1 ml/min. El peso medio final de todos los dispositivos probados es de 6,57 g.

A continuación, evaluamos los efectos del tiempo de plasma y placa caliente sobre la fuerza de unión. El tratamiento con plasma del portaobjetos de vidrio limpia la superficie y la hace más hidrófila. Basado en el fabricante del generador de plasma con un punto de partida recomendado de 20 s, el rango de tiempos de tratamiento con plasma evaluados abarcó de cero a 60 s. Todos los dispositivos que recibieron al menos 5 s de tratamiento con plasma funcionaron de manera similar (Fig. 3b) con la presión más alta alcanzando un promedio de 510 psi después de 30 s. Los dispositivos que no recibieron tratamiento con plasma tuvieron la fuerza de unión más baja, fallando en aproximadamente la mitad de la presión que los dispositivos tratados con plasma pudieron alcanzar. El rango de tiempos de placa caliente probados abarcó de 0 a 3 min. A los 3 minutos en la placa caliente, los dispositivos alcanzaron su máximo promedio a 530 psi antes de fallar. Sin embargo, después de 3 min, se observó que los dispositivos a veces se deformaban y se separaban de la superficie de vidrio. Sin embargo, los dispositivos que recibieron más calor también parecían ser más fuertes (Fig. 3c). Los tiempos de reposo en placa caliente inferiores a 1 min no mostraron diferencias.

Dado que los experimentos de barrido de presión fueron relativamente rápidos (~ 2 min), también probamos si los dispositivos soportarían presiones altas similares durante un período prolongado. Fabricamos un dispositivo utilizando el protocolo descrito anteriormente en un curado de 24 h y presurizado en incrementos de 100 psi, aumentando en 100 psi cada 10 min. Observamos que el dispositivo pudo soportar una presión de 100 psi durante una hora. También pudo durar al menos 10 minutos a 200 y 300 psi. El dispositivo falló a 400 psi después de 6 min, que era similar a la fuerza del dispositivo esperada según los experimentos de barrido de presión (Fig. 3b).

Finalmente, fabricamos dos chips finales utilizando un protocolo que, según los resultados de optimización, se esperaba que fuera óptimo para maximizar la fuerza de unión (un tiempo de curado de 20 h, 30 s para el tratamiento con plasma y 3 min en la placa caliente). Esto dio como resultado un dispositivo que podía soportar un promedio de 714,5 psi basado en dos chips, aproximadamente un 12 % más que la condición anterior más alta durante la optimización.

Utilizamos el protocolo de fabricación optimizado para crear microcanales en espiral con una relación de aspecto muy alta y probar su rendimiento para el enfoque de células inercio-elásticas de alto rendimiento. Para aplicaciones biomédicas de enfoque inercial que involucran grandes volúmenes de muestra, la tensión de cizallamiento máxima en las células debe permanecer dentro de los límites para evitar daños. Por razones discutidas más adelante, planteamos la hipótesis de que un microcanal con una relación de aspecto muy alta (es decir, 10:1 o más) tendría varias ventajas. Sin embargo, los canales de alta relación de aspecto también son más propensos a inflarse bajo presión si están fabricados con materiales deformables.

Fabricamos un solo microcanal de 100 µm de alto, 1 mm de ancho y aproximadamente 140 mm de largo, enrollado en una espiral de aproximadamente 17 mm de ancho en total (Fig. 4a). Se preparó una solución viscoelástica de ácido hialurónico disolviendo HA liofilizado 1,5 MDa en solución salina tamponada con fosfato a una concentración de 0,5 mg/ml mezclando suavemente durante la noche. Se resuspendieron células Jurkat de aproximadamente 12 µm en la solución viscoelástica y se bombearon al centro de la espiral a velocidades de flujo de hasta 2,4 ml/min. Se tomaron imágenes de las células dentro del canal con un microscopio de campo claro de 10 × (Fig. 4b). La distribución lateral de las células cerca de la salida se cuantificó mediante la adquisición de> 100 imágenes de lapso de tiempo en cada caudal, seguido del procesamiento de imágenes para segmentar las células y acumular sus posiciones laterales (Fig. 4c). Como se esperaba, por encima de un caudal crítico de aproximadamente 0,8 ml/min, una pluralidad de células se concentraron en un solo punto estable cerca de la pared exterior (es decir, cóncava) del microcanal. Además, el punto aparentemente estable se acercó a la pared exterior con un caudal creciente, de acuerdo con las expectativas. Por encima de 1 ml/min, las características de enfoque continuaron mejorando ligeramente con el aumento del caudal, hasta el caudal más alto probado.

Célula inercio-elástica enfocada en un microcanal espiral rígido y de alta relación de aspecto. (a) Esquema de la geometría del microcanal La entrada está en el centro de la espiral. (b) Imágenes crudas y procesadas representativas de células Jurkat bajo flujo en una suspensión viscoelástica de ácido hialurónico. ( c ) Rendimiento de enfoque cuantificado por distribuciones laterales de celdas desde la pared interna (convexa) a la externa (cóncava), a velocidades de flujo crecientes.

Los dispositivos microfluídicos a base de epoxi resisten la deformación y soportan presiones más altas que los dispositivos PDMS. Al desarrollar este protocolo, nos basamos en trabajos previos que identifican el epoxi como un material de alto rendimiento, con el objetivo de hacer que este protocolo sea más accesible para los laboratorios de microfluidos de todo el mundo que ya utilizan PDMS y litografía blanda5,6,7.

Usando un dispositivo de epoxi rígido, estudiamos el rendimiento de enfoque en microcanales de alta relación de aspecto. En comparación con los microcanales de relación de aspecto moderada (es decir, 4:1 o menos), los microcanales curvos de relación de aspecto alta tienen la ventaja de suprimir la aparición de vórtices secundarios de flujo Dean a números de Reynolds más altos, lo que permite un enfoque de celda eficiente a tasas de flujo más altas11. Con base en las mediciones de compuestos similares realizadas por otros, las propiedades mecánicas del fluido de la solución (1,5 MDa, 0,5 mg/ml de ácido hialurónico en PBS) se pueden estimar aproximadamente como una viscosidad de cizallamiento cero de aproximadamente 5 mPa s y un tiempo de relajación de unos 10 ms. Con un ancho de canal característico de 100 µm, la tasa de flujo más alta probada de 2,4 ml/min correspondería a un número de Reynolds de alrededor de 8 y a un número de Weissenberg de alrededor de 40. Las características de enfoque observadas son consistentes con los resultados de otros que investigan flujos con un número de elasticidad similar, aquí El = Wi/Re = 4.812,13.

Este protocolo tiene varias limitaciones potenciales. Una posible limitación de este procedimiento es que no es ideal para características de alta relación de aspecto, como pilares o paredes delgadas, porque el molde se libera cuando la pieza de epoxi aún es flexible. La liberación y vinculación de dispositivos con características de relación de aspecto muy alta puede requerir optimización y práctica adicionales. No obstante, el epoxi proporciona excelentes propiedades mecánicas y un acabado superficial para aplicaciones de alto rendimiento. Este protocolo detallado permitirá que más laboratorios integren fácilmente dispositivos rígidos en sus flujos de trabajo de creación de prototipos basados ​​en PDMS existentes.

El molde maestro del patrón, por ejemplo, una oblea de silicio de película fina SU-8 micropatronada. Los canales en el dispositivo final deben tener características elevadas en el molde maestro, al igual que cuando se usa para moldear un dispositivo PDMS convencional.

*Kit de epoxi transparente EpoxAcastTM 690 (https://shop.smooth-on.com/epoxacast-690).

*Tricloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctil)silano (TCPFOS) (Millipore Sigma, artículo n.º 448931, https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/448931).

*Kit de elastómero de silicona Sylgard 184 (adhesivos Ellsworth, artículo n.º 4019862, https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear -0.5-kg-kit/).

Varilla de politetrafluoroetileno (PFTE) de 0,07″ (https://www.mcmaster.com/84935K82/).

Tubería de polietileno (PE) de 1/16″ de DI (https://www.mcmaster.com/5648K67-5648K226/).

Placas de Petri de plástico de 100 mm.

Placas Petri 175 mm con tapa.

Barco de pesaje.

Plato caliente.

Portaobjetos de vidrio ultralimpio (Fisher Scientific, artículo n.º 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).

Espátula de metal limpia con extremo redondeado, p. ej. (https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4531745).

Pipetas.

Cámara de vacío separada para deposición de vapor TCPFOS (https://www.fishersci.com/shop/products/bel-art-scienceware-space-saver-vacuum-desiccators-3/0859416A?gclid=CjwKCAiAvK2bBhB8EiwAZUbP1OvPjQ-ZJAhbEmrVHglNDxRCoS1kEZrG47Yro7f3h4 sNqjjlgiL0dRoCh7YQAvD_BwE&ef_id=CjwKCAiAvK2bBhB8EiwAZUbP1OvPjQ-ZJAhbEmrVHglNDxRCoS1kEZrG47Yro7f3h4sNqjjlgiL0dRoCh7YQAvD_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).

Fórceps dentados, también llamados fórceps de 'tejido' o 'diente de rata', p. ej. (https://www.wpiinc.com/14140-g-graefe-forceps-7cm-straight-07mm-1x2-teeth-german).

*Generador de plasma (https://www.enerconind.com/plasma-treating/products/vintage-treaters/dyne-a-mite-hp.aspx).

Bomba eléctrica de vacío ultraalto (artículo n.º 4396K21, https://www.mcmaster.com/catalog/128/421).

*Asegúrese de leer las Hojas de Datos de Seguridad de estos productos y use el EPP apropiado mientras los usa.

El protocolo se realiza idealmente en un entorno de sala limpia para evitar la contaminación por partículas.

En este paso, primero prepararemos una réplica de PDMS a partir del molde maestro de la oblea de silicio y luego la usaremos para moldear un molde de PDMS. Será necesario perforar el molde de PDMS para permitir que los tubos de entrada y salida se mantengan en su lugar durante el siguiente paso de fundición con epoxi. Del mismo modo, los moldes maestros de PDMS se pueden reutilizar para fundir dispositivos de epoxi muchas (10+) veces.

Este protocolo es para fabricar dispositivos de tamaño similar o más pequeño que un portaobjetos de vidrio estándar. Para dispositivos pequeños (p. ej., 1 a 3 cm2), es posible moldear un solo molde de PDMS a partir de varias réplicas de PDMS.

Una trampa potencial de la preparación del molde es hacer los agujeros perforados un poco demasiado grandes o demasiado pequeños. En un paso posterior, se insertarán varillas de PFTE en los orificios. Los orificios deben tener un tamaño ligeramente inferior (~ 5 %) al diámetro de la varilla de PFTE, para permitir que encaje bien y evitar que el epoxi se filtre. Por otro lado, si los orificios perforados son demasiado pequeños, aún es posible colocar la varilla en el interior; sin embargo, esto estirará la superficie del PDMS y hará que se tire hacia abajo, en virtud del efecto Poisson. Este pulldown luego se trasladará a la parte de epoxi y puede causar problemas con la unión.

Un segundo escollo potencial con la preparación del molde, también asociado con el perforado, es la forma del agujero. Un punzón de biopsia redondo convencional puede comprimir sustancialmente una parte de PDMS antes de morderla, provocando un estrechamiento del orificio con profundidad en la parte relajada de PDMS. Esta forma de agujero puede dejar un pequeño perímetro 'avellanado' alrededor de una varilla de PFTE ajustada a presión, y esta característica puede trasladarse a la pieza de epoxi y causar problemas con la unión.

Para evitar estos dos problemas, utilizamos un espaciador de sacrificio de PDMS de 2 mm de espesor sobre el molde de PDMS durante el punzonado. Según nuestra experiencia, se puede utilizar un punzón de biopsia de 2,0 mm para hacer orificios de pared recta de 1,8 mm de diámetro, que son adecuados para varillas de PFTE de 0,07″ y tubos de 1/16″ de diámetro interior.

Tiempo: 15 minutos

Haga una mezcla de PDMS total de 50 g (45 g de base de PDMS; 5 g de agente de curado). Mezclar bien.

Vierta el PDMS sobre la oblea SU-8.

Coloque el plato con la oblea SU-8 y PDMS en la cámara de vacío. Deje el plato durante 1–3 h, luego transfiéralo a un horno de 60 oC para curar el PDMS durante la noche.

Tiempo: 15 minutos

Retire con cuidado la fundición de PDMS del molde de silicona.

Recorte la réplica a medida del PDMS.

Tiempo: 35 minutos

Realice el tratamiento con plasma de oxígeno de la réplica de PDMS.

Coloque la réplica en una placa de Petri limpia de 100 mm.

NOTA: Si los dispositivos son pequeños, puede haber espacio para colocar varias réplicas en un solo molde de placa de Petri de 100 mm. Asegúrese de que las réplicas no se toquen entre sí en la placa, lo ideal es que haya al menos 5 mm de espacio entre las réplicas y entre las réplicas y la pared de la placa de Petri.

Pipetee y extienda ligeramente 2 μl de triclolorperfluorooctilsilano (TCPFOS) en la placa de Petri y haga un borde alrededor de las réplicas.

NOTA: TCPFOS es tóxico. Use el EPP apropiado.

Coloque la placa de Petri en una cámara de vacío dedicada durante 30 min.

NOTA: Es posible que se depositen pequeñas cantidades de TCPFOS en las superficies interna y externa de la placa de Petri y se deben manipular de acuerdo con las precauciones de seguridad adecuadas. No manipule el plato sin guantes.

Tiempo: 15 minutos

Haga una mezcla de PDMS en total de 50 g (esto dará PDMS de ~ 10 mm de espesor en una placa de Petri de 100 mm, por ejemplo, para montar réplicas que tienen ~ 5 mm de espesor; 45 g de base de PDMS; 5 g de agente de curado). Mezclar bien.

Vierta la mezcla en el plato de 100 mm con los dispositivos. Asegúrese de que estén completamente cubiertos.

NOTA: Tome nota de cuántas veces se ha utilizado esta réplica. No te pases de los 2 usos. Los dispositivos futuros se deformarán.

Coloque el plato en la cámara de vacío. Deje reposar el plato de 1 a 3 h, luego transfiéralo a un horno de 60 °C para curar el PDMS durante la noche.

DURANTE LA NOCHE.

Tiempo: 15 minutos

Con una espátula de metal, retire con cuidado el molde PDMS por completo de la placa de Petri.

NOTA: Puede ser útil apretar las paredes laterales opuestas de la placa de Petri de plástico muy suavemente una hacia la otra, para flexionar ligeramente toda la placa y permitir que el PDMS se separe de la placa. La réplica puede comenzar a salirse del molde durante este paso. Tenga cuidado de no dañar o rasgar el molde o la réplica en este paso.

Con una espátula de metal limpia o pinzas, retire suavemente la réplica de PDMS del molde.

NOTA: Puede ser útil flexionar suavemente todo el molde PDMS hasta que la réplica comience a separarse del molde. Asegúrate de no dañar o rasgar el molde o la réplica en este paso.

Corte el labio extra del borde del molde PDMS. Pruebe el nivel de la misma en la mesa y golpee ligeramente; debe quedar al ras con la mesa.

Con un perforador de agujeros de 2,0 mm, perfore los agujeros necesarios. Levante el PDMS y perfore el enchufe del PDMS desde el otro lado.

NOTA: Recomendamos usar una pieza de repuesto de PDMS encima del orificio que se está perforando. Esto evita el estrechamiento del orificio descrito en la sección "Preparación de moldes PDMS" del protocolo.

Como se señaló en los puntos clave, ciertos materiales como Tygon® y FEP no reaccionan con el epoxi. Si se utilizan otros materiales fuera de este protocolo, asegúrese de que reaccionen con el epoxi.

El propósito de insertar la varilla de PFTE en la tubería de PE es mantener la tubería de PE en su lugar durante el vertido y el curado del epoxi. También asegura una conexión abierta entre la tubería y las microcaracterísticas en caso de que se filtre epoxi en el orificio. En la sección "Liberar y unir" del protocolo, las varillas se sacan más tarde de debajo del dispositivo.

Asegúrese de limpiar la superficie que se utiliza y el tubo con etanol al 70 % antes de comenzar.

Tiempo: 5 minutos

Cortar la varilla de PFTE a 6 mm y el tubo de PE a 2 cm.

NOTA: Cortar el tubo de PFTE en ángulo puede ayudar a guiar el tubo durante la inserción.

Coloque la varilla de PFTE en el tubo de PE. No es necesario que la varilla entre completamente en el tubo más grande; 1 mm de profundidad es adecuado.

Coloque el tubo, con la varilla primero, en los orificios del molde con un movimiento suave. El tubo debe estar al menos 1–2 mm por debajo de la parte superior del molde PDMS. No empuje el tubo completamente hacia abajo a través del molde. Hasta la mitad o menos en el molde es suficiente; el tubo debe tener alrededor de 1 a 2 mm de espacio por encima del molde. Consulte la Fig. 1 como referencia. Tenga cuidado de no dañar o rasgar la superficie del molde durante este paso.

NOTA: Puede dejar la placa de Petri con el molde y el tubo en una cámara de vacío durante unos 15 minutos mientras prepara la mezcla de epoxi que se muestra a continuación. Según nuestra experiencia, desgasificar el molde de PDMS antes de verter el epoxi puede ayudar a prevenir pequeñas burbujas en la parte final del epoxi.

Todo el trabajo con epoxi debe realizarse en un área bien ventilada. Lea todas las hojas de datos de seguridad antes de usar epoxi. El epoxi utilizado en este protocolo tiene una vida útil de 5 h. Los derrames de epoxi se pueden limpiar con etanol al 70 %. Si se usa una micropipeta para verter el epoxi para moldes más pequeños, asegúrese de usar puntas con filtros para evitar que el epoxi entre en la micropipeta.

Tiempo: 10 minutos

Mida la cantidad requerida de mezcla en un recipiente de pesaje. Agite bien las botellas de mezcla de epoxi antes de usar. La proporción de Parte A a Parte B a utilizar es de 10 g:3 g.

NOTA: Las densidades de ambas Partes son diferentes del agua. La masa de las piezas añadidas debe medirse directamente. La parte A es mucho más viscosa que la parte B. Una estrategia para una preparación precisa es verter una cantidad aproximada de la parte A directamente de la botella, luego calcular la cantidad precisa de la parte B para que coincida con la proporción de 10:3 y agregar la parte B gradualmente.

Lleve la mezcla a una campana de humos. Mezclar muy bien durante 3 min.

Coloque la mezcla de epoxi en la bomba eléctrica de ultra alto vacío para desgasificar el epoxi.

Esté atento a la formación de burbujas de aire. Las burbujas subirán a la superficie, se combinarán y luego explotarán. Apague la máquina cuando la primera burbuja comience a hervir.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: Si aún quedan muchas burbujas después de apagar la bomba, deje que las burbujas se asienten y exploten por sí solas durante unos minutos antes de liberar el aire. Si todavía hay burbujas en el epoxi después de la desgasificación, vuelva a hacer funcionar la aspiradora.

Alícuota la mezcla de epoxi muy lentamente hasta el punto más bajo del molde. Deja que el epoxi se esparza por sí solo en el molde. No permita que el epoxi se desborde o burbujee. Debe estar nivelado con la parte superior del molde PDMS.

NOTA: Si el molde se desborda, puede usar una pipeta para eliminar el exceso de epoxi. También se puede usar un Kimwipe® para absorber el exceso de epoxi tocando la parte superior del molde de epoxi hasta que quede nivelado.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: Es posible que se vean pequeñas burbujas de aire atrapadas en las funciones del PDMS. Puede ser útil usar una punta de pipeta de plástico de 10 μl y cepillar suavemente el molde para liberar burbujas de la superficie del molde y dejar que suban a la parte superior del epoxi. Cualquier burbuja que flote sobre el epoxi es aceptable y, por lo general, estalla durante el curado.

Coloque la placa de Petri en la campana de humos. Deje cualquier exceso de epoxi en la campana de humos durante 24 horas antes de desecharlo.

Deje curar el epoxi durante la noche, normalmente entre 22 y 24 h, según la temperatura ambiente y el espesor del epoxi. Como describimos anteriormente, los dispositivos curados por tiempos más largos generalmente son más fáciles de desmoldar pero tienen una menor fuerza de unión.

DURANTE LA NOCHE

La variabilidad en la capacidad de unión depende de esta sección del procedimiento. Estos efectos de los tiempos de curado, el tiempo de tratamiento con plasma y el tiempo de reposo en la placa caliente se observan y describen en los resultados. Preste atención a los pequeños detalles como "desvanecimiento", epoxi adicional aún adherido al dispositivo que puede haber surgido al extraer la varilla, que ocurre después de retirar la varilla de PFTE. La unión completa podría verse afectada por la manipulación de la parte inferior del dispositivo después de retirarlo del molde PDMS. La unión de dispositivos con paredes delgadas y otras características delicadas requerirá práctica.

Cuando utilice el generador de plasma, tome las precauciones de seguridad adecuadas.

Tiempo: 10 minutos

Realice pequeñas curvas rápidas alrededor de los bordes de los dispositivos. El epoxi parcialmente curado debe sentirse firme, gomoso y pegajoso. Es visible desde debajo del dispositivo si los bordes se están liberando del PDMS.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: si los dispositivos no se están desmoldando claramente en esta etapa, están demasiado blandos y requieren más tiempo para curarse. Vuelve a comprobarlo en 1 o 2 h e inténtalo de nuevo.

Sosteniendo los tubos, saque rápidamente los dispositivos directamente del PDMS. La pieza de epoxi puede deformarse durante el desmoldeo, pero comenzará a relajarse de nuevo a su forma moldeada unos segundos después de la liberación.

NOTA: No gire la varilla. Con la otra mano, también puede intentar doblar el molde para alejarlo del dispositivo de epoxi. Esto ayuda a liberar parcialmente el dispositivo y retirar las paredes del PDMS a medida que extrae el dispositivo.

Sosteniendo el tubo correspondiente, extraiga las varillas de PFTE muy rápidamente por debajo con unas pinzas. No toque la parte inferior del chip. Agregar una pequeña curva al tubo ayuda, aunque no lo tuerzas. Deje el dispositivo en el plato de costado una vez que haya sacado las piezas.

NOTA: Ir despacio puede dejar una curva en el chip. Se recomienda utilizar las pinzas que se muestran en la sección "Equipo", ya que agarran la barra con facilidad.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: Para cualquier "desvanecimiento" sobrante, use el tubo que retiró recientemente para empujar suavemente el desvanecimiento hacia el orificio.

Lleve el lugar caliente a unos 70 °C.

Realice el tratamiento con plasma de oxígeno de un portaobjetos de vidrio limpio.

NOTA: El vidrio tratado con plasma pierde gradualmente su reactividad en la atmósfera y debe usarse lo más rápido posible, idealmente en minutos.

Mueva el portaobjetos de vidrio a la placa caliente.

NOTA: Evite tocar la superficie a unir.

Deje caer suavemente el dispositivo sobre el portaobjetos de vidrio. Dejar en la placa caliente durante 20-30 s. Golpee suavemente la parte superior del epoxi para asegurarse de que el dispositivo esté sobre el vidrio y no haya burbujas de aire. Si se presiona demasiado, los canales pueden colapsar. Las partes unidas del dispositivo son visibles desde arriba.

Utilizando una fuente de luz detrás de usted, compruebe si hay burbujas de aire en el reflejo del cristal. Las partes que están adheridas al vidrio son más oscuras que las áreas no adheridas. La mayoría se puede sacar presionando el chip firmemente en el portaobjetos de vidrio directamente encima de la burbuja. Tenga en cuenta que las paredes y los canales delgados también pueden colapsar fácilmente aquí si el dispositivo se presiona demasiado.

NOTA: Este paso es más desafiante para canales de alta relación de aspecto y puede requerir práctica.

Deje reposar el nuevo dispositivo de microfluidos fabricado con epoxi durante 24 h para curar completamente antes de usarlo para cualquier experimento. Los dispositivos se pueden almacenar a temperatura ambiente mientras termina de curar y después de completar el procedimiento completo.

Los datos recopilados de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Los autores desean agradecer a Jon Edd, Kaustav Gopinathan y Li Zhan por sus comentarios sobre este protocolo.

La financiación fue proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos (1K99AI167063 y R01CA260304).

Centro de Ingeniería en Medicina y Cirugía, Hospital General de Massachusetts, Boston, MA, EE. UU.

Carlie Rein, Mehmet Toner y amantes profundos

Facultad de Medicina de Harvard, Boston, MA, EE. UU.

Mehmet Toner y amantes profundos

Hospital Shriners para Niños, Boston, MA, EE. UU.

Mehmet Toner y amantes profundos

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CR y DS realizaron experimentos. MT y DS concibieron y diseñaron experimentos. CR y DS figuras preparadas y escribió el manuscrito. Todos los autores revisaron y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Deep Lovers.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rein, C., Toner, M. & Sevenler, D. Creación rápida de prototipos para microfluidos de alta presión. Informe científico 13, 1232 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28495-2

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Recibido: 28 noviembre 2022

Aceptado: 19 de enero de 2023

Publicado: 22 enero 2023

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

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