Prototipazione rapida per alta

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1232 (2023) Citare questo articolo

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La litografia morbida ha consentito la prototipazione rapida di precise caratteristiche microfluidiche modellando un elastomero deformabile come il polidimetilsilossano (PDMS) con uno stampo modellato fotolitograficamente. Nelle applicazioni di microfluidica in cui la flessibilità del PDMS rappresenta uno svantaggio, sono stati proposti una varietà di materiali più rigidi. Rispetto alle alternative, i dispositivi realizzati in resina epossidica e vetro hanno prestazioni meccaniche, risoluzione delle funzionalità e compatibilità con i solventi superiori. Qui forniamo un metodo dettagliato passo dopo passo per la fabbricazione di dispositivi microfluidici rigidi da resina epossidica e vetro con motivi litografici morbidi. Il protocollo di collegamento è stato ottimizzato per ottenere dispositivi in ​​grado di resistere a pressioni superiori a 500 psi. Utilizzando questo metodo, dimostriamo l'uso di microcanali a spirale rigidi ad alto rapporto d'aspetto per la focalizzazione delle cellule ad alto rendimento.

Le tecniche di prototipazione rapida accelerano lo sviluppo in fase iniziale delle tecnologie microfluidiche riducendo i tempi di iterazione e i costi iniziali. Forse la tecnica di prototipazione rapida più utilizzata per la ricerca microfluidica è la litografia soft, che in genere prevede la modellazione di una parte in elastomero di polidimetilsilossano (PDMS) da uno stampo di pellicola fotoresist micromodellata su un wafer di silicio1. La parte PDMS relativamente morbida e resistente viene sollevata dallo stampo rigido in silicone. I principali vantaggi della litografia soft, rispetto ai metodi alternativi di prototipazione rapida come la stampa 3D, derivano dall'eccellente risoluzione delle caratteristiche offerta dalla fotolitografia a film sottile su wafer di silicio, nonché dalla capacità di produrre rapidamente più dispositivi elastomerici da un unico stampo per wafer .

Tuttavia, la deformabilità del PDMS è sfavorevole per le applicazioni di microfluidica che comportano pressioni moderate e dove la geometria del canale è importante. Ad esempio, questo è il caso praticamente di tutti gli studi sui fenomeni microfluidici inerziali, che generalmente coinvolgono flussi a pressione relativamente elevata (P> 30 psi) in microcanali relativamente lunghi (> 1 cm). I dispositivi PDMS iniziano a deformarsi a partire da 15 psi e possono rompersi a pressioni di circa 40–60 psi2. Pertanto, l’uso del PDMS può mettere a repentaglio sia i risultati della ricerca, dove la deformabilità può essere una fonte sostanziale di variabilità sperimentale, sia lo sviluppo traslazionale, poiché i processi di produzione su larga scala utilizzano in modo schiacciante materiali termoplastici che sono molto più rigidi del PDMS. In questi casi, sarebbe prudente convalidare prima i progetti microfluidici in un materiale rigido prima di sostenere i costi sostanziali delle attrezzature per lo stampaggio a iniezione o la goffratura.

Queste considerazioni hanno motivato lo sviluppo di nuove tecniche per la prototipazione di dispositivi rigidi da parte di diversi gruppi, revisionate sistematicamente nel 20113. Questi sforzi hanno dimostrato la fabbricazione di dispositivi rigidi da un modello definito fotolitograficamente mediante stampaggio a trasferimento utilizzando una replica PDMS intermedia. Tra i materiali valutati, la ricetta del termoindurente descritta per la prima volta nel 2007 ha mostrato la massima rigidità e le migliori prestazioni di adesione (almeno 150 psi)4. Successivamente, un altro materiale termoindurente trasparente, la resina epossidica EpoxAcast 690, è stato utilizzato per misurare la focalizzazione delle particelle a portate molto elevate a pressioni operative prossime a 10.000 psi5,6. È stato dimostrato che questo stesso materiale possiede anche un'eccellente inerzia chimica e impermeabilità ai gas7. È stato inoltre dimostrato che un chip epossidico aveva la capacità di catturare cellule tumorali circolanti dal sangue intero in base alle loro dimensioni con un'efficienza di circa l'80%8. Sulla base di questi studi, si può ritenere che i dispositivi in ​​vetro epossidico abbiano caratteristiche uguali o superiori a tutti gli altri materiali di prototipazione rapida studiati per quanto riguarda fedeltà delle caratteristiche, rigidità e forza di adesione. Nel complesso, rispetto ai metodi alternativi di prototipazione rapida come la stampa 3D o le pellicole laminate con motivi, i dispositivi con motivi fotolitografici hanno la risoluzione delle caratteristiche e la levigatezza delle pareti più elevate9. Allo stesso modo, le resine epossidiche disponibili in commercio sono più accessibili ai ricercatori rispetto ai materiali personalizzati10.