Prototypage rapide pour haute

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1232 (2023) Citer cet article

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La lithographie douce a permis le prototypage rapide de caractéristiques microfluidiques précises en modelant un élastomère déformable tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS) avec un moule à motifs photolithographiques. Dans les applications microfluidiques où la flexibilité du PDMS est un inconvénient, une variété de matériaux plus rigides ont été proposés. Par rapport aux alternatives, les dispositifs fabriqués à partir d'époxy et de verre ont des performances mécaniques, une résolution des caractéristiques et une compatibilité avec les solvants supérieures. Ici, nous fournissons une méthode détaillée étape par étape pour la fabrication de dispositifs microfluidiques rigides à partir d'époxy et de verre à motifs de lithographie douce. Le protocole de liaison a été optimisé pour produire des dispositifs qui résistent à des pressions supérieures à 500 psi. En utilisant cette méthode, nous démontrons l'utilisation de microcanaux rigides en spirale à rapport d'aspect élevé pour la focalisation cellulaire à haut débit.

Les techniques de prototypage rapide accélèrent le développement précoce des technologies microfluidiques en réduisant le temps d'itération et les coûts initiaux. La technique de prototypage rapide la plus largement utilisée pour la recherche en microfluidique est peut-être la lithographie douce, qui consiste généralement à modeler une pièce en élastomère de polydiméthylsiloxane (PDMS) à partir d'un moule de film photosensible à micro-motifs sur une tranche de silicium1. La partie PDMS relativement douce et résistante est retirée du moule en silicone rigide. Les principaux avantages de la lithographie douce, par rapport aux méthodes alternatives de prototypage rapide telles que l'impression 3D, découlent de l'excellente résolution des caractéristiques offerte par la photolithographie à couche mince sur des tranches de silicium, ainsi que de la capacité de produire rapidement plusieurs dispositifs élastomères à partir d'un seul moule de tranche. .

Cependant, la déformabilité du PDMS est défavorable pour les applications microfluidiques qui impliquent des pressions modérées et où la géométrie du canal est importante. C'est par exemple le cas de la quasi-totalité des études de phénomènes de microfluidique inertielle, qui impliquent généralement des écoulements à relativement haute pression (P > 30 psi) dans des microcanaux relativement longs (> 1 cm). Les dispositifs PDMS commencent à se déformer dès 15 psi et peuvent se rompre à des pressions d'environ 40 à 60 psi2. Par conséquent, l'utilisation du PDMS peut compromettre à la fois les résultats de la recherche, où la déformabilité peut être une source substantielle de variabilité expérimentale, ainsi que le développement translationnel, car les processus de fabrication à grande échelle utilisent massivement des thermoplastiques qui sont beaucoup plus rigides que le PDMS. Dans ces cas, il serait prudent de valider d'abord les conceptions microfluidiques dans un matériau rigide avant d'assumer les coûts d'outillage substantiels pour le moulage par injection ou le gaufrage.

Ces considérations ont motivé le développement de nouvelles techniques de prototypage de dispositifs rigides par plusieurs groupes, systématiquement revues en 20113. Ces efforts ont démontré la fabrication de dispositifs rigides à partir d'un motif défini par photolithographie par moulage par transfert à l'aide d'une réplique intermédiaire en PDMS. Parmi les matériaux évalués, la recette thermodurcissable décrite pour la première fois en 2007 présentait la rigidité la plus élevée et les meilleures performances de collage (au moins 150 psi)4. Plus tard, un autre thermodurcissable transparent, la résine époxy EpoxAcast 690, a été utilisé pour mesurer la focalisation des particules à des débits très élevés à des pressions de fonctionnement approchant les 10 000 psi5,6. Ce même matériau s'est également avéré avoir une excellente inertie chimique et une excellente imperméabilité aux gaz7. Il a également été démontré qu'une puce époxy avait la capacité de capturer les cellules tumorales circulantes du sang total en fonction de leur taille avec une efficacité d'environ 80 %8. Sur la base de ces études, les dispositifs en verre époxy peuvent être considérés comme ayant des caractéristiques égales ou supérieures à tous les autres matériaux de prototypage rapide étudiés en ce qui concerne la fidélité des caractéristiques, la rigidité et la force de liaison. Dans l'ensemble, par rapport à d'autres méthodes de prototypage rapide telles que l'impression 3D ou les films stratifiés à motifs, les dispositifs à motifs photolithographiques ont la résolution de caractéristiques et le lissé des parois les plus élevés9. De même, les époxy disponibles dans le commerce sont plus accessibles aux chercheurs que les matériaux personnalisés10.

Malgré les nombreux avantages des dispositifs rigides, les matériaux rigides sont rarement utilisés dans la littérature, même lorsque cela est justifié. Un protocole détaillé étape par étape peut grandement améliorer l'accessibilité du prototypage de dispositifs rigides aux laboratoires de microfluidique qui utilisent déjà la lithographie douce et le PDMS. Pour répondre à ce besoin, nous décrivons les pièges les plus courants dans la préparation des moules et le collage des dispositifs, comment ils peuvent être résolus. En outre, nous optimisons plusieurs paramètres de processus clés pour maximiser la force de liaison tout en maintenant la facilité et les ressources limitées du protocole.

La procédure comprend trois étapes principales : (1) préparation du moule PDMS, (2) coulée d'époxy et (3) démoulage, post-traitement et collage (schéma, Fig. 1 et exemples d'images, Fig. 2). Après la préparation du moule (1), le moule peut être stocké en toute sécurité et le reste de la fabrication peut être effectué à tout moment. Lorsque l'époxy est coulé (2), le démoulage (3) est réalisé le lendemain, après 20 à 24 h, et le collage est réalisé immédiatement après le démoulage (3). Cette procédure suppose que vous êtes familiarisé avec la lithographie douce conventionnelle de PDMS à l'aide d'un moule de plaquette de silicium rigide1. Avant de commencer, vous aurez besoin d'un moule maître avec les caractéristiques à motifs souhaitées, comme un film mince SU-8 à motifs sur une plaquette de silicium. Comme décrit ci-dessous, les canaux du dispositif final doivent être surélevés sur le moule principal, tout comme pour les dispositifs PDMS conventionnels.

Procédure globale pour fabriquer un dispositif microfluidique à base d'époxy.

Exemples d'images d'étapes de protocole. De gauche à droite et de haut en bas : (a) couper le PDMS de la plaquette SU-8, (b) la réplique du PDMS dans la boîte de Pétri vers le haut, (c) verser le PDMS sur la réplique, (d) libérer le moule du PDMS de la réplique , (e) le moule PDMS final sans le dispositif de réplique, (f) moule PDMS avec tube sans époxy, (g) dispositif époxy sorti du moule après 24 h avec des tiges PFTE toujours attachées assises sur le côté, et (h) le dispositif époxy final collé à une lame de verre.

En ce qui concerne le protocole dans son ensemble, nous avons eu plusieurs observations importantes. Premièrement, les répliques traitées au TCPFOS qui sont utilisées pour fabriquer le moule PDMS peuvent être réutilisées, mais seulement 2 à 3 fois. Au-delà, la surface de la réplique peut se déformer. D'autre part, les moules de dispositifs PDMS peuvent être réutilisés plusieurs (10+) fois. Au fil du temps, la moisissure peut acquérir une couleur blanche opaque. Cela n'affecte pas l'appareil ou le moule PDMS. De plus, couper les tiges de polytétrafluoroéthylène (PFTE) à un léger angle peut faciliter leur insertion dans les moules. Enfin, le matériau du tube doit être sélectionné pour être compatible avec le collage époxy. Nous utilisons des tubes en polyéthylène, qui forment une liaison solide avec l'époxy. Les matériaux de tuyauterie courants tels que le Tygon® ou l'éthylène propylène fluoré (FEP) ne réagissent pas avec l'époxy.

Nous avons optimisé plusieurs variables de processus dans le but de pouvoir fabriquer de manière fiable des dispositifs capables de résister à des pressions élevées. Le temps de durcissement a été optimisé avant le démoulage, le temps de traitement au plasma et la durée du temps de repos sur la plaque chauffante après le collage. Pour tester la force de liaison d'un appareil, nous avons fabriqué l'appareil avec un seul port (c'est-à-dire sans sorties) et l'avons connecté au modèle de pompe à seringue haute pression 100Dx avec un transducteur de pression intégré. L'appareil a été progressivement mis sous pression avec de l'eau DI pendant plusieurs minutes jusqu'à la défaillance, et la pression maximale avant la défaillance a été enregistrée.

Tout d'abord, nous avons émis l'hypothèse que l'utilisation d'un temps de durcissement plus court que 24 h peut augmenter la force de liaison si l'époxy a plus de groupes réactifs disponibles. Pour les temps de durcissement inférieurs à 20 h, l'époxy était trop mou et collant pour être retiré du moule. D'autre part, pour des temps de durcissement supérieurs à 30 h, nous avons observé que l'époxy avait presque entièrement durci et ne se lierait pas à la lame de verre. Dans cette fenêtre, nous avons observé une tendance à des pressions de liaison plus élevées à des temps de durcissement inférieurs, avec un maximum de 670 psi au temps de durcissement testé le plus bas de 20 h (Fig. 3a).

Optimisation de la force de liaison. Force de liaison par rapport à (a) le temps de durcissement, (b) la durée du traitement au plasma et (c) le temps pendant lequel le dispositif repose sur une plaque chauffante après le traitement au plasma. Les pressions varient de 650 à 240 psi. La résistance a été testée en connectant une pompe haute pression aux dispositifs à l'aide d'un Swagelok avec un débit initial de 1 ml/min et un débit final de 0,1 ml/min. Le poids moyen final de tous les appareils testés est de 6,57 g.

Ensuite, nous avons évalué les effets du plasma et du temps de plaque chauffante sur la force de liaison. Le traitement plasma de la lame de verre nettoie la surface et la rend plus hydrophile. Basé sur le fabricant du générateur de plasma avec un point de départ conseillé de 20 s, la plage de temps de traitement au plasma testée s'étendait de zéro à 60 s. Tous les appareils ayant reçu au moins 5 s de traitement au plasma ont fonctionné de la même manière (Fig. 3b), la pression la plus élevée atteignant en moyenne 510 psi après 30 s. Les appareils qui n'ont reçu aucun traitement au plasma avaient la force de liaison la plus faible, échouant à environ la moitié de la pression que les appareils traités au plasma pouvaient atteindre. La plage de temps de plaque chauffante testée s'étendait de 0 à 3 min. À 3 min sur la plaque chauffante, les appareils ont atteint leur maximum moyen à 530 psi avant de tomber en panne. Après 3 min, cependant, on a observé que les dispositifs se déformaient parfois et se détachaient de la surface du verre. Néanmoins, les appareils qui recevaient plus de chaleur semblaient également plus résistants (Fig. 3c). Les temps de repos sur la plaque chauffante inférieurs à 1 min n'ont montré aucune différence.

Étant donné que les expériences de balayage de pression étaient relativement rapides (~ 2 min), nous avons également testé si les appareils résisteraient à des pressions aussi élevées pendant une période prolongée. Nous avons fabriqué un appareil en utilisant le protocole décrit ci-dessus à une cure de 24 h et mis sous pression par incréments de 100 psi, augmentant de 100 psi toutes les 10 min. Nous avons observé que l'appareil était capable de résister à une pression de 100 psi pendant une heure. Il a également pu durer au moins 10 minutes à 200 et 300 psi. L'appareil est tombé en panne à 400 psi après 6 minutes, ce qui était similaire à la résistance de l'appareil attendue sur la base des expériences de balayage de pression (Fig. 3b).

Enfin, nous avons fabriqué deux puces finales en utilisant un protocole qui, sur la base des résultats d'optimisation, devait être optimal pour maximiser la force de liaison (un temps de durcissement de 20 h, 30 s pour le traitement au plasma et 3 min sur la plaque chauffante). Cela a abouti à un appareil capable de supporter une moyenne de 714,5 psi basée sur deux puces, soit environ 12% de plus que la condition la plus élevée précédente lors de l'optimisation.

Nous avons utilisé le protocole de fabrication optimisé pour fabriquer des microcanaux en spirale avec un rapport d'aspect très élevé et tester leurs performances pour la focalisation cellulaire inertio-élastique à haut débit. Pour les applications biomédicales de focalisation inertielle impliquant de grands volumes d'échantillons, la contrainte de cisaillement maximale sur les cellules doit rester dans les limites pour éviter les dommages. Pour des raisons discutées plus tard, nous avons émis l'hypothèse qu'un microcanal à rapport d'aspect très élevé (c'est-à-dire 10:1 ou plus) aurait plusieurs avantages. Cependant, les canaux à rapport d'aspect élevé sont également plus susceptibles de se gonfler sous pression s'ils sont fabriqués à partir de matériaux déformables.

Nous avons fabriqué un seul microcanal de 100 µm de haut, 1 mm de large et environ 140 mm de long, enroulé en une spirale d'environ 17 mm de large au total (Fig. 4a). Une solution viscoélastique d'acide hyaluronique a été préparée en dissolvant 1,5 MDa de HA lyophilisé dans une solution saline tamponnée au phosphate à une concentration de 0,5 mg/ml en mélangeant doucement pendant une nuit. Des cellules Jurkat d'environ 12 um ont été remises en suspension dans la solution viscoélastique et pompées au centre de la spirale à des débits allant jusqu'à 2,4 ml/min. Les cellules à l'intérieur du canal ont été imagées avec un microscope à fond clair 10 × (Fig. 4b). La distribution latérale des cellules près de la sortie a été quantifiée en acquérant> 100 images en accéléré à chaque débit, suivie d'un traitement d'image pour segmenter les cellules et accumuler leurs positions latérales (Fig. 4c). Comme prévu, au-dessus d'un débit critique d'environ 0,8 ml/min, une pluralité de cellules ont été focalisées sur un seul point stable proche de la paroi externe (c'est-à-dire concave) du microcanal. De plus, le point stable apparent s'est rapproché de la paroi extérieure avec un débit croissant, conformément aux attentes. Au-dessus de 1 ml/min, les caractéristiques de focalisation ont continué à s'améliorer légèrement avec l'augmentation du débit, jusqu'au débit testé le plus élevé.

Cellule inertio-élastique focalisant dans un microcanal spirale rigide et à rapport d'aspect élevé. (a) Schéma de la géométrie du microcanal L'entrée est au centre de la spirale. ( b ) Images brutes et traitées représentatives de cellules Jurkat sous flux dans une suspension viscoélastique d'acide hyaluronique. ( c ) Performances de focalisation quantifiées par les distributions latérales des cellules de la paroi interne (convexe) à la paroi externe (concave), à ​​des débits croissants.

Les dispositifs microfluidiques à base d'époxy résistent à la déformation et supportent des pressions plus élevées que les dispositifs PDMS. En développant ce protocole, nous nous appuyons sur des travaux antérieurs identifiant l'époxy comme un matériau de haute performance, dans le but de rendre ce protocole plus accessible aux laboratoires de microfluidique du monde entier qui utilisent déjà le PDMS et la lithographie douce5,6,7.

À l'aide d'un dispositif en époxy rigide, nous avons étudié les performances de focalisation dans des microcanaux à rapport d'aspect élevé. Par rapport aux microcanaux à rapport d'aspect modéré (c'est-à-dire 4: 1 ou moins), les microcanaux incurvés à rapport d'aspect élevé ont l'avantage de supprimer l'apparition de tourbillons secondaires à flux Dean à des nombres de Reynolds plus élevés, ce qui permet une focalisation cellulaire efficace à des débits plus élevés11. Sur la base des mesures de composés similaires par d'autres, les propriétés mécaniques fluides de la solution (1,5 MDa, 0,5 mg/ml d'acide hyaluronique dans du PBS) peuvent être grossièrement estimées comme une viscosité à cisaillement nul d'environ 5 mPa·s et un temps de relaxation d'environ 10 ms. Avec une largeur de canal caractéristique de 100 µm, le débit le plus élevé testé de 2,4 ml/min correspondrait à un nombre de Reynolds d'environ 8 et à un nombre de Weissenberg d'environ 40. Les caractéristiques de focalisation observées sont cohérentes avec les résultats d'autres chercheurs étudiant les flux avec un nombre d'élasticité similaire, ici El = Wi/Re = 4.812,13.

Ce protocole a plusieurs limitations potentielles. Une limitation potentielle de cette procédure est qu'elle n'est pas idéale pour les éléments à rapport d'aspect élevé tels que les piliers ou les parois minces, car le moule est libéré lorsque la pièce en époxy est encore pliable. La libération et la liaison de dispositifs avec des caractéristiques de rapport d'aspect très élevé peuvent nécessiter une optimisation et une pratique supplémentaires. Néanmoins, l'époxy offre d'excellentes propriétés mécaniques et une finition de surface pour les applications à haut débit. Ce protocole détaillé permettra à davantage de laboratoires d'intégrer facilement des dispositifs rigides dans leurs flux de travail de prototypage existants basés sur PDMS.

Le moule maître de modèle, par exemple une plaquette de silicium à film mince SU-8 à micro-modèle. Les canaux du dispositif final doivent être des éléments surélevés sur le moule principal, tout comme lors de son utilisation pour mouler un dispositif PDMS conventionnel.

*Kit époxy transparent EpoxAcastTM 690 (https://shop.smooth-on.com/epoxacast-690).

*Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (TCPFOS) (Millipore Sigma, article n° 448931, https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/448931).

*Kit d'élastomère de silicone Sylgard 184 (adhésifs Ellsworth, article n° 4019862, https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear -Kit de 0,5 kg/).

Tige en polytétrafluoroéthylène (PFTE) 0,07″ (https://www.mcmaster.com/84935K82/).

Tuyau en polyéthylène (PE) 1/16″ ID (https://www.mcmaster.com/5648K67-5648K226/).

Boîtes de Pétri en plastique 100 mm.

Boîtes de Pétri 175 mm avec couvercle.

Peser le bateau.

Plat chaud.

Lames de verre ultrapropres (Fisher Scientific, article n° 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).

Nettoyer la spatule en métal à bout arrondi, par exemple (https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4531745).

Pipettes.

Chambre à vide séparée pour le dépôt en phase vapeur TCPFOS jlgiL0dRoCh7YQAvD_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).

Pince à dents, également appelée pince à « tissu » ou « dent de rat », par exemple (https://www.wpiinc.com/14140-g-graefe-forceps-7cm-straight-07mm-1x2-teeth-german).

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

Pompe à ultra-vide électrique (article n° 4396K21, https://www.mcmaster.com/catalog/128/421).

*Assurez-vous de lire les fiches de données de sécurité de ces produits et de porter un EPI approprié lors de leur utilisation.

Le protocole est idéalement effectué dans un environnement de salle blanche pour éviter la contamination particulaire.

Dans cette étape, nous allons d'abord préparer une réplique PDMS à partir du moule principal de plaquette de silicium, puis l'utiliser pour couler un moule PDMS. Le moule PDMS devra être perforé pour permettre aux tubes d'entrée et de sortie d'être maintenus en place pendant l'étape de coulée époxy ci-dessous. De même, les moules maîtres PDMS peuvent être réutilisés pour couler des dispositifs époxy plusieurs (10+) fois.

Ce protocole est destiné à fabriquer des appareils de taille similaire ou plus petite qu'une lame de verre standard. Pour les petits appareils (par exemple 1 à 3 cm2), il est possible de couler un seul moule PDMS à partir de plusieurs répliques PDMS.

Un écueil potentiel de la préparation des moules est de faire des trous poinçonnés légèrement trop grands ou trop petits. Dans une étape ultérieure, des tiges PFTE seront insérées dans les trous. Les trous doivent être légèrement sous-dimensionnés (~ 5%) par rapport au diamètre de la tige PFTE, pour permettre une pression serrée et empêcher l'époxy de s'infiltrer. D'autre part, si les trous poinçonnés sont trop sous-dimensionnés, il peut toujours être possible d'insérer la tige à l'intérieur, mais cela étirera la surface du PDMS et la fera baisser, en vertu de l'effet Poisson. Ce pulldown sera ensuite reporté sur la partie époxy et peut causer des problèmes de collage.

Un deuxième écueil potentiel avec la préparation du moule, également associé au poinçonnage, est la forme du trou. Un poinçon de biopsie rond conventionnel peut comprimer une partie PDMS sensiblement avant de mordre, provoquant un étranglement du trou avec une profondeur dans la partie PDMS détendue. Cette forme de trou peut laisser un petit périmètre « fraisé » autour d'une tige PFTE à ajustement serré, et cette caractéristique peut être reportée sur la pièce en époxy et causer des problèmes de collage.

Pour éviter ces deux problèmes, nous utilisons une entretoise PDMS sacrificielle de 2 mm d'épaisseur sur le dessus du moule PDMS lors du poinçonnage. D'après notre expérience, un poinçon de biopsie de 2,0 mm peut être utilisé pour faire des trous à parois droites de 1,8 mm de diamètre, qui conviennent aux tiges PFTE de 0,07″ et aux tubes de diamètre intérieur de 1/16″.

Durée : 15 minutes

Faire un mélange PDMS total de 50 g (45 g de base PDMS ; 5 g d'agent de durcissement). Bien mélanger.

Verser le PDMS sur la plaquette SU-8.

Placez le plat avec la plaquette SU-8 et le PDMS dans la chambre à vide. Laisser le plat pendant 1 à 3 h, puis transférer dans un four à 60 oC pour durcir le PDMS pendant la nuit.

Durée : 15 minutes

Retirez délicatement le moulage PDMS du moule en silicone.

Découpez la réplique à la taille du PDMS.

Durée : 35 minutes

Effectuer un traitement au plasma d'oxygène de la réplique PDMS.

Placez la réplique dans une boîte de Pétri propre de 100 mm.

REMARQUE : Si les appareils sont petits, il peut y avoir de l'espace pour s'adapter à plusieurs répliques dans un seul moule de boîte de Pétri de 100 mm. Assurez-vous que les répliques ne se touchent pas dans le plat, idéalement au moins 5 mm d'espace entre les répliques ainsi qu'entre les répliques et la paroi de la boîte de Pétri.

Pipeter et étaler légèrement 2 μl de Tricholorperfluorooctylsilane (TCPFOS) sur la boîte de Pétri et faire une bordure autour des répliques.

REMARQUE : TCPFOS est toxique. Utilisez les EPI appropriés.

Placer la boîte de Pétri dans une chambre à vide dédiée pendant 30 min.

REMARQUE : De petites quantités de TCPFOS peuvent être déposées sur les surfaces intérieures et extérieures de la boîte de Pétri et doivent être manipulées en conséquence en suivant les précautions de sécurité appropriées. Ne manipulez pas le plat sans gants.

Durée : 15 minutes

Faire un mélange PDMS total de 50 g (cela donnera ~ 10 mm d'épaisseur PDMS dans une boîte de Pétri de 100 mm, par exemple pour couler sur des répliques qui sont ~ 5 mm d'épaisseur ; 45 g de base PDMS ; 5 g d'agent de durcissement). Bien mélanger.

Verser le mélange dans la coupelle de 100 mm avec les appareils. Assurez-vous qu'ils sont entièrement couverts.

REMARQUE : notez combien de fois cette réplique a été utilisée. Ne dépasse pas 2 utilisations. Les futurs appareils seront déformés.

Placez le plat dans la chambre à vide. Laissez le plat reposer pendant 1 à 3 h, puis transférez-le dans un four à 60 oC pour durcir le PDMS pendant la nuit.

PENDANT LA NUIT.

Durée : 15 minutes

À l'aide d'une spatule en métal, retirez délicatement le moule PDMS complètement de la boîte de Pétri.

REMARQUE : Il peut être utile de presser très doucement les parois latérales opposées de la boîte de Pétri en plastique l'une vers l'autre, de fléchir légèrement l'ensemble du plat et de permettre au PDMS de se séparer du plat. La réplique peut commencer à tomber du moule au cours de cette étape. Veillez à ne pas endommager ou déchirer le moule ou la réplique à cette étape.

À l'aide d'une spatule ou d'une pince à épiler en métal propre, retirez délicatement la réplique PDMS du moule.

REMARQUE : Il peut être utile de fléchir doucement l'ensemble du moule PDMS jusqu'à ce que la réplique commence à se séparer du moule. Assurez-vous de ne pas endommager ou déchirer le moule ou la réplique à cette étape.

Coupez la lèvre supplémentaire du bord du moule PDMS. Testez le niveau de celui-ci sur la table et tapotez légèrement ; il doit être au ras de la table.

À l'aide d'une perforatrice de 2,0 mm, percez les trous nécessaires. Soulevez le PDMS et perforez la prise PDMS de l'autre côté.

REMARQUE : Nous vous recommandons d'utiliser un morceau de PDMS de rechange sur le dessus du trou à percer. Cela empêche le rétrécissement du trou décrit dans la section "Préparation du moule PDMS" du protocole.

Comme indiqué dans les points clés, certains matériaux comme le Tygon® et le FEP ne réagissent pas avec l'époxy. Si d'autres matériaux en dehors de ce protocole sont utilisés, assurez-vous qu'ils réagissent avec l'époxy.

Le but de l'insertion de la tige PFTE dans le tube PE est de maintenir le tube PE en place pendant le coulage et le durcissement de l'époxyde. Il assure également une connexion ouverte entre le tube et les microfonctions en cas de fuite d'époxy dans le trou. Dans la section "Release and bond" du protocole, les tiges sont ensuite retirées du dessous de l'appareil.

Assurez-vous de nettoyer la surface utilisée et le tube avec 70 % d'éthanol avant de commencer.

Durée : 5 minutes

Couper la tige PFTE à 6 mm et le tube PE à 2 cm.

REMARQUE : Couper le tube PFTE à un angle peut aider à guider le tube lors de l'insertion.

Placez la tige PFTE dans le tube PE. La tige n'a pas besoin d'aller jusqu'au fond du tube plus grand; 1 mm de profondeur est suffisant.

Placez le tube, la tige en premier, dans les trous du moule en un mouvement fluide. Le tube doit être d'au moins 1 à 2 mm sous le haut du moule PDMS. Ne poussez pas le tube à fond dans le moule. À mi-chemin ou moins dans le moule est suffisant ; le tube doit avoir environ 1 à 2 mm d'espace au-dessus du moule. Voir la figure 1 pour référence. Veillez à ne pas endommager ou déchirer la surface du moule lors de cette étape.

REMARQUE : Vous pouvez laisser la boîte de Pétri avec moule et tube dans une chambre à vide pendant environ 15 minutes lors de la préparation du mélange époxy ci-dessous. D'après notre expérience, le dégazage du moule PDMS avant de verser l'époxy peut aider à prévenir les petites bulles dans la pièce finale en époxy.

Tous les travaux d'époxy doivent avoir lieu dans un endroit bien ventilé. Lisez toutes les fiches de données de sécurité avant d'utiliser l'époxy. L'époxy utilisé dans ce protocole a une durée de vie de 5 h. Les déversements d'époxy peuvent être nettoyés avec de l'éthanol à 70 %. Si une micropipette est utilisée pour verser l'époxyde pour des moules plus petits, assurez-vous d'utiliser des embouts avec des filtres pour éviter que l'époxyde ne pénètre dans la micropipette.

Durée : 10 minutes

Mesurer la quantité requise de mélange dans une nacelle de pesée. Bien agiter les bouteilles de mélange époxy avant utilisation. Le rapport de la partie A à la partie B à utiliser est de 10 g:3 g.

REMARQUE : Les densités des deux parties sont différentes de l'eau. La masse des pièces ajoutées doit être mesurée directement. La partie A est beaucoup plus visqueuse que la partie B. Une stratégie pour une préparation précise consiste à verser une quantité approximative de la partie A directement de la bouteille, puis à calculer la quantité précise de la partie B pour correspondre au rapport 10:3 et à ajouter progressivement la partie B.

Apportez le mélange dans une hotte aspirante. Bien mélanger pendant 3 min.

Placez le mélange époxy dans la pompe à ultra-vide électrique pour dégazer l'époxy.

Surveillez la formation de bulles d'air. Les bulles remonteront à la surface, se combineront, puis éclateront. Éteignez la machine lorsque la première bulle commence à bouillir.

DÉPANNAGE : s'il reste encore beaucoup de bulles après avoir éteint la pompe, laissez les bulles reposer et éclater d'elles-mêmes pendant quelques minutes avant de libérer l'air. S'il y a encore des bulles dans l'époxy après le dégazage, refaites le vide.

Aliquoter le mélange époxy très lentement jusqu'au point le plus bas du moule. Laissez l'époxy se répandre tout seul dans le moule. Ne laissez pas l'époxy déborder ou faire des bulles. Il doit être nivelé avec le haut du moule PDMS.

REMARQUE : Si le moule déborde, vous pouvez utiliser une pipette pour éliminer l'excès d'époxy. Un Kimwipe® peut également être utilisé pour absorber l'excès d'époxy en touchant le haut du moule en époxy jusqu'à ce qu'il soit de niveau.

DÉPANNAGE : de petites bulles d'air emprisonnées dans les fonctions PDMS peuvent être visibles. Il peut être utile d'utiliser une pointe de pipette en plastique de 10 ul et de brosser doucement le moule pour libérer les bulles de la surface du moule et les laisser monter jusqu'au sommet de l'époxy. Toutes les bulles flottant au-dessus de l'époxy sont acceptables et éclatent généralement pendant le durcissement.

Placez la boîte de Pétri dans la hotte. Laissez tout excès d'époxy dans la hotte pendant 24 h avant de le jeter.

Laissez l'époxy durcir pendant la nuit, généralement environ 22 à 24 h en fonction de la température ambiante et de l'épaisseur de l'époxy. Comme nous l'avons décrit ci-dessus, les dispositifs durcis pendant des temps plus longs sont généralement plus faciles à démouler mais ont une force de liaison plus faible.

PENDANT LA NUIT

La variabilité de la capacité de liaison dépend de cette section de la procédure. Ces effets des temps de durcissement, du temps de traitement au plasma et du temps de repos sur la plaque chauffante sont tous observés et décrits dans les résultats. Faites attention aux petits détails tels que le "plumage", l'époxy supplémentaire encore attaché à l'appareil qui peut avoir émergé après avoir retiré la tige, survenant après le retrait de la tige PFTE. La liaison complète pourrait être affectée par une altération du fond de l'appareil après le retrait du moule PDMS. Le collage de dispositifs avec des parois minces et d'autres caractéristiques délicates nécessitera de la pratique.

Lorsque vous utilisez le générateur de plasma, prenez les précautions de sécurité appropriées.

Durée : 10 minutes

Effectuez de petits virages rapides sur les bords des appareils. L'époxy partiellement durci doit être ferme, caoutchouteux et collant. Il est visible sous l'appareil si les bords se détachent du PDMS.

DÉPANNAGE : Si les appareils ne se détachent pas clairement du moule à ce stade, ils sont trop mous et nécessitent plus de temps pour durcir. Revenez dans 1 à 2 h et réessayez.

En tenant les tubes, tirez rapidement les appareils directement hors du PDMS. La pièce en époxy peut se déformer pendant le retrait du moule, mais elle commencera à reprendre sa forme moulée quelques secondes après le démoulage.

REMARQUE : Ne tournez pas la tige. Avec votre autre main, vous pouvez également essayer de plier le moule loin du dispositif époxy. Cela permet de libérer partiellement l'appareil et d'éloigner les parois PDMS lorsque vous retirez l'appareil.

En maintenant le tube correspondant, arrachez très rapidement les tiges de PFTE par dessous à l'aide d'une pincette. Ne touchez pas le fond de la puce. L'ajout d'un petit coude au tube aide, mais ne tordez pas le tube. Laissez l'appareil dans le plat sur le côté une fois les morceaux sortis.

REMARQUE : Aller lentement peut laisser un pli dans la puce. Il est recommandé d'utiliser les pinces présentées dans la section "Équipement", car elles agrippent facilement la tige.

DÉPANNAGE : Pour tout reste de "plumes", utilisez le tube récemment retiré pour repousser doucement les plumes dans le trou.

Amener le lieu chaud à environ 70 °C.

Effectuez le traitement au plasma d'oxygène d'une lame de verre propre.

REMARQUE : Le verre traité au plasma perd progressivement sa réactivité dans l'atmosphère et doit être utilisé le plus rapidement possible, idéalement en quelques minutes.

Déplacez la lame de verre sur la plaque chauffante.

REMARQUE : Évitez de toucher la surface à coller.

Déposer délicatement l'appareil sur la lame de verre. Laisser sur la plaque chauffante pendant 20 à 30 s. Tapotez légèrement le dessus de l'époxy pour vous assurer que l'appareil est sur le verre et qu'il n'y a pas de bulles d'air. Si vous appuyez trop fort, les canaux peuvent s'effondrer. Les parties collées de l'appareil sont visibles d'en haut.

À l'aide d'une source de lumière derrière vous, vérifiez la réflexion du verre pour les bulles d'air. Les parties collées au verre sont plus foncées que les parties non collées. La plupart peuvent être retirés en pressant fermement la puce dans la lame de verre directement au-dessus de la bulle. Méfiez-vous que les parois minces et les canaux peuvent également facilement s'effondrer ici si l'appareil est pressé trop fort.

REMARQUE : Cette étape est plus difficile pour les canaux à rapport hauteur/largeur élevé et peut nécessiter de la pratique.

Laissez le nouveau dispositif microfluidique en époxy reposer pendant 24 h pour durcir complètement avant de l'utiliser pour toute expérience. Les dispositifs peuvent être stockés à température ambiante pendant qu'ils finissent de durcir et après avoir terminé la procédure complète.

Les données recueillies à partir de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs tiennent à remercier Jon Edd, Kaustav Gopinathan et Li Zhan pour leurs commentaires sur ce protocole.

Le financement a été fourni par les National Institutes of Health des États-Unis (1K99AI167063 et R01CA260304).

Centre d'ingénierie en médecine et chirurgie, Massachusetts General Hospital, Boston, MA, États-Unis

Carlie Rein, Mehmet Toner & Deep Lovers

École de médecine de Harvard, Boston, MA, États-Unis

Toner Mehmet et amoureux profonds

Hôpital Shriners pour enfants, Boston, MA, États-Unis

Toner Mehmet et amoureux profonds

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CR et DS ont réalisé des expériences. MT et DS ont conçu et conçu des expériences. CR et DS ont préparé les figures et rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont revu et révisé le manuscrit.

Correspondance à Deep Lovers.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Rein, C., Toner, M. & Sevenler, D. Prototypage rapide pour la microfluidique à haute pression. Sci Rep 13, 1232 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28495-2

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Reçu : 28 novembre 2022

Accepté : 19 janvier 2023

Publié: 22 janvier 2023

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

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