Creación rápida de prototipos para alta

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

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Detalles de métricas

La litografía blanda ha permitido la creación rápida de prototipos de características microfluídicas precisas mediante el diseño de un elastómero deformable como el polidimetilsiloxano (PDMS) con un molde con diseño fotolitográfico. En aplicaciones de microfluidos donde la flexibilidad del PDMS es un inconveniente, se ha 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 funciones y una compatibilidad con disolventes superiores. Aquí proporcionamos un método detallado paso a paso para fabricar dispositivos microfluídicos rígidos a partir de vidrio y epoxi con estampado de litografía suave. El protocolo de unión se optimizó produciendo dispositivos que soportan presiones superiores a 500 psi. Utilizando 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 inicial de 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 parte de elastómero de polidimetilsiloxano (PDMS) a partir de un molde de película fotorresistente con micromodelos sobre una oblea de silicio1. La parte de PDMS, relativamente blanda y resistente, se retira del molde de silicio rígido. Las principales ventajas de la litografía blanda, en comparación con 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 sobre obleas de silicio, así como de la capacidad de producir rápidamente múltiples dispositivos elastoméricos a partir de un único molde de oblea. .

Sin embargo, la deformabilidad del PDMS es desfavorable para aplicaciones de microfluidos que implican 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 implican 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 aproximadamente 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 ampliados utilizan abrumadoramente termoplásticos que son mucho más rígidos que los PDMS. En estos casos, sería prudente validar primero los diseños de microfluidos en un material rígido antes de asumir los importantes costos de herramientas para el moldeo por inyección o el 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 fotolitográficamente definido 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 caudales muy altos a presiones operativas cercanas a 10 000 psi5,6. También se demostró que este mismo material tiene una excelente inercia química e impermeabilidad a los gases7. También se demostró que un chip epoxi tenía la capacidad de capturar células tumorales circulantes de sangre total en función de su tamaño con una eficiencia de aproximadamente el 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 fidelidad, rigidez y fuerza de unión. En conjunto, en comparación con métodos alternativos de creación rápida de prototipos, como la impresión 3D o películas laminadas estampadas, los dispositivos fotolitográficamente estampados tienen la mayor resolución de características y suavidad de pared9. Asimismo, los epoxis disponibles comercialmente 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 la 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) desmolde, 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 desmolde (3) se realiza al día siguiente, después de 20 a 24 h, y la unión se realiza inmediatamente después del desmolde (3). Este procedimiento supone que está familiarizado con la litografía blanda convencional de PDMS utilizando un molde de oblea de silicio rígido1. Antes de comenzar, necesitará un molde maestro con las características estampadas deseadas, como una película delgada SU-8 estampada sobre una oblea de silicona. 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 de microfluidos a base de epoxi.

Imágenes de ejemplo de etapas del protocolo. De izquierda a derecha y de arriba a abajo: (a) cortar PDMS de la oblea SU-8, (b) réplica de PDMS en la placa de Petri hacia arriba, (c) verter PDMS sobre la réplica, (d) liberar el molde de PDMS de la réplica , (e) el molde PDMS final sin el dispositivo de réplica, (f) molde PDMS con tubos sin epoxi, (g) dispositivo epoxi retirado del molde después de 24 h con varillas de PFTE todavía unidas y colocadas de lado, y (h) el dispositivo epoxi final unido a un portaobjetos de vidrio.

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 sólo 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 del tubo debe seleccionarse para que sea compatible con la unión epoxi. Usamos tubos de polietileno, que forman una fuerte unión con el epoxi. Los materiales de tubería comunes, como Tygon® o etileno propileno fluorado (FEP), no reaccionarán con el epoxi.

Optimizamos varias variables del proceso con el objetivo de poder fabricar de manera confiable dispositivos que pudieran soportar altas presiones. Se optimizó el tiempo de curado antes de la remoción 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 durante varios minutos hasta que falló y se registró la presión máxima antes del fallo.

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. Fuerza de unión versus (a) tiempo de curado, (b) duración del tratamiento con plasma y (c) tiempo que el dispositivo reposa 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 usando 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 plasma y el tiempo de la placa caliente sobre la fuerza de unión. El tratamiento con plasma del portaobjetos de vidrio limpia la superficie y la hace más hidrófila. Según el fabricante del generador de plasma con un punto de partida recomendado de 20 s, el rango de tiempos de tratamiento con plasma probados 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) y la presión más alta alcanzó 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 aproximadamente a la mitad de la presión que podían alcanzar los dispositivos tratados con plasma. El rango de tiempos de placa caliente probados abarcó de 0 a 3 minutos. 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 minutos, se observó que los dispositivos a veces se deformaban y se separaban de la superficie del vidrio. Sin embargo, los dispositivos que recibieron más calor también parecían ser más fuertes (Fig. 3c). Los tiempos de reposo en la 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 resistirían presiones igualmente altas durante un período prolongado. Fabricamos un dispositivo utilizando el protocolo descrito anteriormente con un curado de 24 h y lo presurizamos en incrementos de 100 psi, aumentando en 100 psi cada 10 minutos. Observamos que el dispositivo podía 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 minutos, lo que fue similar a la resistencia esperada del dispositivo según los experimentos de barrido de presión (Fig. 3b).

Finalmente, fabricamos dos chips finales usando un protocolo que, según los resultados de la 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 más alta anterior 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 celular inercioelástico de alto rendimiento. Para aplicaciones biomédicas de enfoque inercial que involucran grandes volúmenes de muestra, la tensión de corte máxima sobre las células debe permanecer dentro de límites para evitar daños. Por razones que se analizan 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 con una relación de aspecto alta también son más propensos a inflarse bajo presión si están fabricados con materiales deformables.

Fabricamos un único 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 1,5 MDa de HA liofilizado en solución salina tamponada con fosfato hasta una concentración de 0,5 mg/ml mediante mezcla suave durante la noche. Se resuspendieron células Jurkat de aproximadamente 12 µm en la solución viscoelástica y se bombearon hacia el 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 adquiriendo> 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, se enfocaron varias células en un único 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 al aumentar el caudal, hasta el caudal más alto probado.

Célula inercio-elástica que se concentra 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 representativas sin procesar y procesadas 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 de microfluidos a base de epoxi resisten la deformación y soportan presiones más altas que los dispositivos PDMS. Al desarrollar este protocolo, nos basamos en trabajos anteriores 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.

Utilizando un dispositivo rígido de epoxi, estudiamos el rendimiento del enfoque en microcanales de alta relación de aspecto. En comparación con los microcanales con una relación de aspecto moderada (es decir, 4:1 o menos), los microcanales curvos con una relación de aspecto alta tienen la ventaja de suprimir la aparición de vórtices secundarios de flujo Dean en números de Reynolds más altos, lo que permite un enfoque celular eficiente a velocidades de flujo más altas11. Con base en las mediciones de compuestos similares realizadas por otros, las propiedades mecánicas de fluidos de la solución (1,5 MDa, 0,5 mg/ml de ácido hialurónico en PBS) pueden estimarse aproximadamente como una viscosidad de corte cero de aproximadamente 5 mPa s y un tiempo de relajación. de unos 10 ms. Con un ancho de canal característico de 100 µm, el caudal más alto probado de 2,4 ml/min correspondería a un número de Reynolds de aproximadamente 8 y a un número de Weissenberg de aproximadamente 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 epoxi aún es flexible. Liberar y unir dispositivos con características de relación de aspecto muy alta puede requerir optimización y práctica adicionales. Sin embargo, el epoxi proporciona excelentes propiedades mecánicas y 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 de patrones, por ejemplo, una oblea de silicio de película delgada SU-8 con micromodelos. Los canales en el dispositivo final deben tener características elevadas en el molde maestro, tal como 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 -kit-0,5-kg/).

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

Tubo de polietileno (PE) de 1/16 ″ de diámetro interior (https://www.mcmaster.com/5648K67-5648K226/).

Cajas Petri de plástico de 100 mm.

Placas Petri de 175 mm con tapa.

Pesar barco.

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, por ejemplo (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-ZJAhbEmrVHglNDxRCoS1kEZrG47Yro7f3h4s NqjjlgiL0dRoCh7YQAvD_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).

Pinzas dentadas, también llamadas pinzas de 'tejido' o 'dientes de rata', por ejemplo (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 Fichas de datos de seguridad de estos productos y usar el EPP adecuado mientras los usa.

Lo ideal es que el protocolo se realice en una sala limpia para evitar la contaminación por partículas.

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

Este protocolo es para fabricar dispositivos de tamaño similar o más pequeño que un portaobjetos de vidrio estándar. Para dispositivos pequeños (por ejemplo, de 1 a 3 cm2), es posible fabricar un único molde PDMS a partir de múltiples réplicas de PDMS.

Un posible error en 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 ser ligeramente más pequeños (~ 5 %) que el diámetro de la varilla de PFTE, para permitir que encajen con una presión firme 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. Esta extracción luego se trasladará a la parte de epoxi y puede causar problemas con la unión.

Un segundo problema potencial con la preparación del molde, también asociado con la perforación, 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 de PDMS relajada. Esta forma de orificio puede dejar un pequeño perímetro "avellanado" alrededor de una varilla de PFTE encajada a presión, y esta característica puede trasladarse a la pieza de epoxi y causar problemas de unión.

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

Tiempo: 15 minutos

Haga una mezcla de PDMS con un total de 50 g (45 g de base 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 a 3 h, luego transfiéralo a un horno a 60 °C para curar el PDMS durante la noche.

Tiempo: 15 minutos

Retire con cuidado la fundición PDMS del molde de silicona.

Recorta la réplica a medida del PDMS.

Tiempo: 35 minutos

Realizar tratamiento con plasma de oxígeno de la réplica 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, idealmente al menos 5 mm de espacio entre las réplicas, así como entre las réplicas y la pared de la placa de Petri.

Pipetear y esparcir ligeramente 2 l de tricolorperfluorooctilsilano (TCPFOS) en la placa de Petri y hacer un borde alrededor de las réplicas.

NOTA: TCPFOS es tóxico. Utilice EPP adecuado.

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

NOTA: Se pueden depositar pequeñas cantidades de TCPFOS en las superficies interior y exterior de la placa de Petri y deben manipularse en consecuencia siguiendo las precauciones de seguridad adecuadas. No manipular el plato sin guantes.

Tiempo: 15 minutos

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

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

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

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

DURANTE LA NOCHE.

Tiempo: 15 minutos

Con una espátula de metal, retire suavemente el molde PDMS completamente 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. Es posible que la réplica comience a caerse del molde durante este paso. Tenga cuidado de no dañar ni rasgar el molde o la réplica en este paso.

Con una espátula de metal limpia o unas 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. Asegúrese de no dañar ni rasgar el molde ni la réplica en este paso.

Corta el labio extra del borde del molde PDMS. Pruebe el nivel sobre la mesa y golpee ligeramente; debe quedar al ras de la mesa.

Con una perforadora de 2,0 mm, haga los agujeros necesarios. Levante el PDMS y extraiga el enchufe del PDMS desde el otro lado.

NOTA: Recomendamos utilizar una pieza de repuesto de PDMS encima del orificio que se está perforando. Esto evita el estrechamiento del orificio descrito en la sección "Preparación del molde 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 el tubo de PE es mantener el tubo de PE en su lugar durante el vertido y curado del epoxi. También garantiza una conexión abierta entre el tubo y las microcaracterísticas en caso de que se filtre epoxi en el orificio. En la sección "Liberar y unir" del protocolo, las varillas se retiran posteriormente de debajo del dispositivo.

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

Tiempo: 5 minutos

Corte 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 hasta el fondo del tubo más grande; 1 mm de profundidad es suficiente.

Coloque el tubo, primero la varilla, en los orificios del molde con un movimiento suave. El tubo debe estar al menos entre 1 y 2 mm por debajo de la parte superior del molde PDMS. No empuje el tubo hasta el fondo del molde. Es suficiente que esté hasta la mitad o menos del molde; el tubo debe tener entre 1 y 2 mm de espacio por encima del molde. Consulte la Fig. 1 como referencia. Tenga cuidado de no dañar ni 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 a continuación. Según nuestra experiencia, desgasificar el molde PDMS antes de verter el epoxi puede ayudar a evitar pequeñas burbujas en la pieza final de 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 utiliza una micropipeta para verter el epoxi en moldes más pequeños, asegúrese de utilizar puntas con filtros para evitar que el epoxi entre en la micropipeta.

Tiempo: 10 minutos

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

NOTA: Las densidades de ambas Partes son diferentes a las 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 extractora. 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 todavía quedan muchas burbujas después de apagar la bomba, deje que las burbujas se asienten y exploten solas durante unos minutos antes de liberar el aire. Si todavía quedan burbujas en el epoxi después de la desgasificación, vuelva a hacer funcionar la aspiradora.

Distribuya la mezcla de epoxi muy lentamente hasta el punto más bajo del molde. Deja que el epoxi se extienda solo en el molde. No permita que el epoxi se desborde ni burbujee. Debe estar nivelado con la parte superior del molde PDMS.

NOTA: Si el molde burbujea, puede usar una pipeta para eliminar el exceso de epoxi. También se puede utilizar 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 utilizar una punta de pipeta de plástico de 10 l y cepillar suavemente el molde para liberar burbujas de la superficie del molde y dejarlas subir a la parte superior del epoxi. Cualquier burbuja que flote sobre el epoxi es aceptable y generalmente explota durante el curado.

Coloque la placa de Petri en la campana extractora. Deje el exceso de epoxi en la campana extractora durante 24 h antes de desecharlo.

Deje que el epoxi cure durante la noche, normalmente entre 22 y 24 h, dependiendo de la temperatura ambiente y el espesor del epoxi. Como describimos anteriormente, los dispositivos curados durante períodos más prolongados 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 curación, 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 el "emplumado", el exceso de epoxi aún adherido al dispositivo que puede haber surgido al arrancar la varilla, que ocurre después de retirar la varilla de PFTE. La unión total podría verse afectada por la manipulación de la parte inferior del dispositivo después de retirarlo del molde PDMS. Unir 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 desprenden del PDMS.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: Si los dispositivos no se desprenden claramente del molde en esta etapa, son demasiado blandos y requieren más tiempo para curarse. Vuelva a comprobarlo en 1 a 2 h y vuelva a intentarlo.

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

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

Sujetando el tubo correspondiente, extraiga rápidamente las varillas de PFTE desde abajo con unas pinzas. No toque la parte inferior del chip. Agregar una pequeña curva al tubo ayuda, aunque no lo tuerza. Deje el dispositivo en el plato de lado una vez que hayan salido los trozos.

NOTA: Ir despacio puede dejar una curvatura en el chip. Se recomienda utilizar las pinzas que se muestran en la sección “Equipo”, ya que agarran la varilla con facilidad.

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS: Para cualquier resto de “emplumado”, use el tubo que quitó recientemente para empujar suavemente el desvanecimiento hacia el interior del orificio.

Llevar 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 cuestión de 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 ligeramente la parte superior del epoxi para asegurarse de que el dispositivo esté sobre el vidrio y que no haya burbujas de aire. Si se presiona demasiado, los canales pueden colapsar. Las partes adheridas del dispositivo son visibles desde arriba.

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

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

Deje que el nuevo dispositivo de microfluidos fabricado con epoxi repose durante 24 h para que se cure por completo 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 solicitud razonable.

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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 prepararon figuras y escribieron el manuscrito. Todos los autores revisaron y revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Deep Sevenler.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rein, C., Toner, M. y 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 de noviembre de 2022

Aceptado: 19 de enero de 2023

Publicado: 22 de enero de 2023

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

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