The authors thank Scott Longwell for helpful comments and edits to the manuscript and Robert Puccinelli for device photography. The authors acknowledge generous support from a Beckman Institute Technology Development Grant. K.B. is supported by a NSF GFRP fellowship and the TLI component of the Stanford Clinical and Translational Science Award to Spectrum (NIH TL1 TR 001084); P.F. acknowledges a McCormick and Gabilan Faculty Fellowship.

<ol>
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The authors declare that they have no competing financial interests.

Questo lavoro dimostra un completo protocollo di fotolitografia multi-step per un dispositivo microfluidica multistrato con valvole e la geometria di altezza variabile che può essere regolato per qualsiasi applicazione con semplici modifiche ai parametri di fabbricazione sulla base delle nostre strumento online 26 e costruttore istruzioni 25. Questo protocollo ha lo scopo di demistificare fotolitografia multistrato per i ricercatori che desiderano costruire dispositivi microfluidici al di là di semplici passivi stampi uno strato. Multistrato dispositivi microfluidici permettono la ricerca della funzionalità avanzate in un unico dispositivo polimero morbido per &#39;lab on chip&#39; applicazioni che vanno dall&#39;analisi delle cellule singole a high-throughput saggi biochimici 1. Il dispositivo tallone sintetizzatore costruito qui dimostra più livelli con un unico strato di flusso ed entrambe le geometrie completamente sigillabili e valvole setaccio per produrre le goccioline di idrogel che cun polimerizzare a perle di polimero. La presenza di valvole permette, di controllo programmabile automatico sulla funzione chip che può essere facilmente implementata con qualsiasi linguaggio di scripting (ad esempio, MATLAB, LabView, o Python) che si interfaccia con i moduli di un laboratorio di controllo di flusso (ad esempio, pompe siringa e / o regolatori di pressione ). In questa dimostrazione, software MATLAB personalizzato (codice fornito riferimento 28) comunica con Modbus-controllati array elettrovalvole in una configurazione pneumatica personalizzato 28 e un sistema di controllo del flusso MFCS per pressurizzare liquidi sul dispositivo, ma molte altre opzioni per il controllo di flusso sono commercialmente a disposizione. Disegni e ulteriori suggerimenti sono inclusi per massimizzare il successo per la prima volta gli ingegneri microfluidica. Le fasi di fabbricazione qui riportati dovrebbero dimostrare generalmente adattabile ad una vasta gamma di patterning fotolitografia per dispositivi microfluidici. In uno dei passi (portate elevate), 30caratteristiche micron sono stati aggiunti allo strato di resina fotosensibile inferiore (flusso basso, 55 micron) per creare una altezza composita di 85 micron. Questo passaggio può essere utilizzato per effettuare le caratteristiche di spessore, senza la necessità di fotoresist più viscosi (che sono più difficili da lavorare). In un altro passo (Herringbone), caratteristiche sono state fabbricate in cima ad un canale precedentemente reticolato, creando scanalature motivi geometrici sul fondo di un microcanale quando replica modellato in PDMS. Questo passaggio può essere adattato dagli utenti per creare geometrie complesse compreso architetture ben all&#39;interno pozzetti, se desiderato. Il successo di questo processo di fabbricazione è dimostrata utilizzando il dispositivo tallone sintetizzatore per produrre perle di polimero da gocce PEG-diacrilato. Esplorando diverse pressioni di flusso in grado di modulare il regime delle gocce per la produzione di perle di diverse dimensioni. Inoltre, gli additivi possono essere inclusi facilmente all&#39;interno della miscela polimerica. Queste perle di idrogel possono essere utilizzati per una varietà di scopi, tra cuicodifica spettrale attraverso l&#39;incorporazione di fosfori fluorescenti o luminescenti, la consegna di droga, o saggi cellulari tramite funzionalizzazione superficiale. Se questo protocollo è adottato per costruire un dispositivo microfluidico diverso dal sintetizzatore tallone qui presentato, occorre rilevare alcuni passaggi sono fondamentali per ottenere un&#39;alta probabilità di successo al primo tentativo fabbricazione. Noi e altri abbiamo osservato che l&#39;ottimizzazione della temperatura bake morbido, la durata, e la rampa tasso è fondamentale per evitare la ritenzione di solvente residuo nel film resistere tramite formazione di croste (che può portare a gorgogliamento di azoto gassoso intrappolato durante l&#39;esposizione) 29. Inoltre, una fase di reidratazione notte migliora la riproducibilità dei tempi di esposizione necessari spessi strati AZ50 XT e riduce variabilità spaziale dei tassi di sviluppo attraverso il wafer. Infine, una lunga (14-15 ore) inviare cuocere l&#39;esposizione con una rampa lenta arrotonda caratteristiche photoresist rettangolari per formare valves senza deformare geometrie valvola per una vasta gamma di spessori photoresist testati. Molte delle procedure qui presentate per la realizzazione di strati di fotoresist negativo includono piccole differenze da istruzioni del produttore. Suggeriamo un processo di cottura morbida in tre fasi che si muove tra i wafer piastre fissati a 65 ° C, 95 ° C, e 65 ° C. Abbiamo trovato che progressivo riscaldamento del wafer riduce la comparsa di difetti durante esposizione risultante dalla rottura di bolle di gas intrappolate all&#39;interno fotoresist tramite la formazione di una &quot;crosta&quot; durante morbido cottura. Al contrario, graduale raffreddamento del wafer dopo morbida cottura può ridurre fessurazione fotosensibile. Infine, abbiamo trovato che l&#39;aumento volte photoresist rilassamento per ~ 20 min riduce piccole variazioni di resistere altezza attraverso il wafer. Grazie alla flessibilità di questo protocollo fabbricazione, ci aspettiamo che avrà ampio programma di utilità per i vari dispositivi in ​​tutta disciplines. Mentre alternative come la stampa 3D, incisione su vetro e goffratura possono anche raggiungere la fabbricazione microfluidica, patterning litografico possibile ottenere una funzionalità più complesse, come ad esempio valvole, che altri metodi non hanno ancora raggiunto su larga scala. Il limite maggiore di questo protocollo è design-to-test in tempo, che prende ~ 3 giorni (principalmente a causa passaggi necessari per fabbricare valvole arrotondati). Speriamo che la diffusione aperta dei protocolli in microfluidica, in particolare in materia di passaggi di fotolitografia complicati, incoraggerà continua innovazione nel campo e che questa dimostrazione proof-of-concept sarà di aiuto per aiutare gli utenti risolvere i problemi di fabbricazione.

<html> Negli ultimi 15 anni, microfluidica come un campo ha subito una rapida crescita, con una esplosione di nuove tecnologie che consentono la manipolazione dei fluidi alla scala micrometrica 1. Sistemi microfluidici sono piattaforme interessanti per funzionalità laboratorio bagnato perché i piccoli volumi hanno il potenziale per realizzare una maggiore velocità e sensibilità, mentre allo stesso tempo aumentando notevolmente la produttività e ridurre i costi sfruttando economie di scala 2, 3. Sistemi microfluidici multistrato hanno impatti particolarmente significativi in applicazioni di analisi biochimiche ad alto throughput, come singola analisi delle cellule 4, 5, 6, l&#39;analisi singola molecola (ad esempio, digitale PCR 7), proteine cristallografia 8, fattore di trascrizione saggi vincolantef &quot;&gt; 9, 10, e lo screening cellulare 11. Un obiettivo centrale della microfluidica è stato lo sviluppo di &quot;lab on a chip&quot; dispositivi in grado di eseguire complesse manipolazioni fluidici all&#39;interno di un unico dispositivo per l&#39;analisi biochimica totale 12. Lo sviluppo di tecniche morbido litografia multistrato ha contribuito a realizzare questo obiettivo, consentendo creazione di valvole on-chip, miscelatori e pompe per controllare attivamente fluidi all&#39;interno di piccoli volumi 13, 14, 15. Nonostante i loro vantaggi e applicazioni dimostrato, molte di queste tecnologie microfluidica rimangono in gran parte staccati dagli utenti non specialisti. adozione diffusa è stato impegnativo, in parte a causa di un accesso limitato ai servizi di microfabbricazione, ma anche per la comunicazione inadeguata di tecniche di fabbricazione. Questo è particolarmente vero for dispositivi microfluidici multistrato dotati di strutture per valvole o geometrie complesse: la scarsità di informazioni pratiche dettagliate su importanti parametri di progettazione e le tecniche di fabbricazione scoraggia spesso nuovi ricercatori da intraprendere progetti che prevedono la progettazione e la realizzazione di questi dispositivi. Questo articolo si propone di affrontare questo gap di conoscenza con la presentazione di un protocollo completo per rendere i dispositivi microfluidici multistrato con valvole e le caratteristiche di altezza variabile, a partire da parametri di progetto e si muove attraverso tutte le fasi di fabbricazione. Focalizzando l&#39;attenzione sui gradini di fotolitografia iniziali di fabbricazione, questo protocollo è complementare ad altri protocolli microfluidica 16 che descrivono fasi a valle della fusione dispositivi da muffe e l&#39;esecuzione di esperimenti specifici. dispositivi microfluidici con valvole monolitica su chip sono composti da due strati: uno strato di &quot;flusso&quot;, dove il fluido di interesse viene manipolato in microcanali, e uno strato di &quot;controllo&quot;, dove microcanali contenenti aria o acqua può selettivamente modulare il flusso di fluido nello strato di flusso 14. Questi due strati sono ogni fabbricati su un maestro di stampaggio silicone separato, che viene successivamente utilizzato per il polidimetilsilossano (PDMS) stampaggio replica in un processo chiamato &quot;soft litografia 17&quot;. Per formare un dispositivo multistrato, ciascuno degli strati PDMS sono espressi sui rispettivi padroni stampaggio e quindi allineati tra loro, formando così un dispositivo PDMS composita con canali in ogni strato. Le valvole sono formate in posizioni in cui i canali di flusso e di controllo si incrociano e sono separati solo da una sottile membrana; pressurizzazione del canale di controllo devia questa membrana per occludere il canale di flusso e spostare localmente il fluido (Figura 1). valvole on-chip attivi possono essere realizzati in diversi modi, a seconda dell&#39;applicazione finale desiderata. valvolepuò essere configurato sia in una geometria &quot;push down&quot; o &quot;push up&quot;, a seconda che il livello di controllo è al di sopra o sotto il livello del flusso (figura 1) 15. &quot;Push up&quot; geometrie consentono minori pressioni di chiusura e maggiore stabilità dispositivo da delaminazione, mentre &quot;spingere verso il basso&quot; geometrie permettono i canali di flusso per essere in contatto diretto con il substrato legato, che conferisce il vantaggio di funzionalizzazione selettiva o patterning della superficie del substrato per la funzionalità in seguito 18, 19. Le valvole possono anche essere sia intenzionalmente leaky valvole &quot;setaccio&quot; o completamente sigillabile, secondo il profilo in sezione trasversale del canale di flusso. Valvole Sieve sono utili per la cattura perline, cellule o altri macroanalytes 1, e sono realizzati mediante l&#39;uso di fotoresist negativi tipici (cioè, SU-8 serie), che have profili rettangolari. Quando un canale di controllo è pressurizzata in queste regioni valvola, la membrana PDMS tra il controllo e lo strato flusso devia isotropa nel profilo rettangolare della valvola senza guarnizione angoli, permettendo il flusso di fluido ma intrappolando particelle macro scala (Figura 1). Al contrario, le valvole microfluidica completamente sigillabili sono realizzati includendo una piccola macchia di fotoresist arrotondati alle posizioni della valvola. Con questa geometria, pressurizzazione del canale di controllo devia la membrana contro lo strato flusso arrotondato per sigillare completamente il canale, arrestare il flusso del fluido. Profili arrotondati nello strato flusso vengono generati tramite la fusione e riflusso di photoresist positivo (ad esempio, AZ50 XT o SPR 220) dopo fasi tipiche di fotolitografia. Abbiamo precedentemente dimostrato che le altezze post-reflow di regioni valvola dipendono caratteristica dimensioni 21 scelti. Questo protocollo illustra la fabbricazione di entrambe le geometrie valvola conin un dispositivo di sintesi tallone. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig1.jpg" /> Figura 1: Multilayer Microfluidic Valve geometrie. Tipici &quot;push up&quot; architetture di dispositivo per setaccio e valvole completamente sigillabili prima (in alto) e dopo (in basso) pressurizzazione. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> I dispositivi possono anche includere caratteristiche passive complesse come mixer caotiche 13 e on-chip resistenze 20 che richiedono caratteristiche di molteplici altezze differenti all&#39;interno di un singolo strato di flusso. Per ottenere un livello di flusso di altezza variabile, diversi gruppi hanno impiegato molti metodi tra cui circuito stampato incisione 22, multistrato allineamento sollievo PDMS 23, o multi-step photolithography 24. Il nostro gruppo ha trovato multi-step fotolitografia su un unico master di stampaggio ad essere un metodo efficace e riproducibile. Per fare questo, una semplice tecnica di fotolitografia di costruire canali spessore di fotoresist negativo (ad esempio SU-8 fotoresist serie) in strati senza sviluppo tra l&#39;applicazione di ciascuno strato è impiegato. Ogni strato è filata in fotoresist negativo secondo il suo spessore utilizzando le istruzioni del produttore 25 sul master di silicio. Caratteristiche di questa altezza vengono modellati sullo strato utilizzando una maschera di trasparenza specifica (figura 2) applicata su un piatto di maschera di vetro e allineata allo strato precedentemente filato prima dell&#39;esposizione. In multi-step fotolitografia, l&#39;allineamento preciso tra gli strati è fondamentale nella formazione di un canale completo flusso di altezza variabile. Dopo l&#39;allineamento, ogni strato è sottoposto ad una cottura di post-esposizione spessore-dipendente. Senza sviluppo, lo strato successivo è similarly fantasia. In questo modo, le caratteristiche alte possono essere costruite su un unico wafer flusso layer-by-layer tramite l&#39;utilizzo di più maschere. Saltando sviluppo tra ogni passo, precedenti strati di fotoresist possono essere utilizzati per generare caratteristiche altezza compositi (cioè, due 25 micron strati possono fare 50 micron caratteristica) 24. Inoltre, le caratteristiche del pavimento del canale, come mixer caotico scanalature a spina di pesce 13 possono essere effettuate utilizzando strati con caratteristiche precedentemente esposti. Una fase finale di sviluppo completa il processo, creando un unico wafer di flusso con caratteristiche di altezza variabile (figura 3). Qui, è previsto un protocollo completo per multi-step fotolitografia che include esempi di tutte le procedure necessarie per fabbricare valvole on-chip e canali di flusso con più altezze. Questo protocollo fabbricazione è presentata nel contesto di un multistrato microfluidica sintetizzatore tallone che richiede valvole e variable-altezza presenta per la sua funzionalità. Questo dispositivo include T-giunzioni per la generazione di goccioline d&#39;acqua in una guaina di petrolio, resistenze on-chip di modulare le portate attraverso il controllo di resistenza Poiseuille, un mixer caotico per omogeneizzare i componenti di gocce, ed entrambe le valvole completamente di tenuta e Sieve per consentire flussi di lavoro automatizzati che coinvolgono reagente multipla ingressi. Utilizzando multi-step fotolitografia, queste caratteristiche sono ogni fabbricati su un livello diverso in base all&#39;altezza o fotosensibile; i seguenti strati sono costruiti in questo protocollo: (1) strato di flusso rotonda valvola (55 micron, AZ50 XT) (2) Flusso di bassa strato (55 micron, SU-8 2050) (3) alto flusso strato (85 micron, SU- 8 2025, 30 micron altezza additivi), e (4) a spina di pesce Grooves (125 micron, SU-8 2025, 40 micron altezza additivo) (Figura 3). sfere di idrogel possono essere utilizzati per una varietà di applicazioni, tra cui funzionalizzazione selettiva di superficie per le analisi a valle, l&#39;incapsulamento di droga, radiotracing e di imaging saggi, e l&#39;incorporazione delle cellule; In precedenza avevamo usato una versione più complessa di questi dispositivi per la produzione di spettralmente codificati perline PEG idrogel che contengono nanophosphors lantanidi 20. I disegni illustrati di seguito sono inclusi in Risorse aggiuntive per qualsiasi laboratorio da utilizzare nei loro sforzi di ricerca se lo si desidera. Prevediamo che questo protocollo fornirà una risorsa aperta per gli specialisti e non specialisti egualmente interessate a fare dispositivi microfluidici multistrato con valvole o geometrie complesse per abbassare la barriera all&#39;entrata in microfluidica e aumentare le possibilità di successo di fabbricazione.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1709">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:459px;">Materials</td>
			<td style="width:332px;"></td>
			<td style="width:259px;"></td>
			<td style="width:659px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mylar Transparency Masks, 5&#34;</td>
			<td>FineLine Plotting</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">5&#34; Quartz Plates</td>
			<td>United Silica&#160;</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">4&#34; Silicon Wafers, Test Grade</td>
			<td>University Wafer</td>
			<td>452</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">SU8 2005, 2025, 2050 photoresist</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>Y111045, Y111069, Y111072</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Az50XT&#160;</td>
			<td>Integrated Micromaterials</td>
			<td>AZ50XT-Q</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">SU8 Developer</td>
			<td>Microchem</td>
			<td>Y020100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">AZ400K 1:3 Developer</td>
			<td>Integrated Micromaterials</td>
			<td>AZ400K1:3-CS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Pyrex 150 mm glass dish</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>CLS3140150-1EA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Wafer Petri Dishes, 150 mm</td>
			<td>VWR</td>
			<td>25384-326</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Wafer Tweezers&#160;</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences (EMS)</td>
			<td>78410-2W</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>448931-10G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">2&#34; x 3&#34; glass slides</td>
			<td>Thomas Scientific&#160;</td>
			<td>6686K20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set</td>
			<td>Momentive&#160;</td>
			<td>RTV615-1P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tygon Tubing, 0.02&#34; O.D.&#160;</td>
			<td>Fischer Scientific&#160;</td>
			<td>14-171-284</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Capillary PEEK tubing,&#160; 510 um OD, 125 um ID</td>
			<td>Zeus</td>
			<td>Custom</td>
			<td>360 um PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Cyro 4 mL tube</td>
			<td>Greiner Bio-One</td>
			<td>127279</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Epoxy, 30-minute</td>
			<td>Permatex</td>
			<td>84107</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Metal Pins, 0.025&#34; OD, .013&#34; ID</td>
			<td>New England Small Tube</td>
			<td>NE-1310-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>455008-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitator&#160;</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry Co.</td>
			<td>L0290</td>
			<td>We typically synthesize LAP in-house.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HEPES</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>H4034-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Light mineral oil</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>330779-1L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Span-80</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>85548</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">ABIL EM 90</td>
			<td>UPI Chem</td>
			<td>420095</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Name&#160;</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:459px;">Equipment</td>
			<td>Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mask Aligner</td>
			<td>Karl Suss</td>
			<td>MA6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Profilometer</td>
			<td>KLA-Tencor</td>
			<td>Alpha-Step D500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Spin Coater</td>
			<td>Laurell Technologies</td>
			<td>WS-650-23</td>
			<td>Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style</td>
			<td>Bel-Art</td>
			<td>420100000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Oven</td>
			<td>Cole-Palmer</td>
			<td>WU-52120-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">UV Spot Curing System with 3 mm LLG option</td>
			<td>Dymax</td>
			<td>41015</td>
			<td>UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">MFCS Microfluidic Fluid Control System</td>
			<td>Fluidgent</td>
			<td>MFCS-EZ</td>
			<td>Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Automated control scripting</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hotplate</td>
			<td>Tory Pines Scientific</td>
			<td>HP30</td>
			<td>Any hotplate with uniform heating (i.e. aluminum or ceramic plates) will suffice.&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multi-step variable height photolithography for valved multilayer microfluidic devices

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to entry for non-specialists who would benefit greatly from the ability to develop their own microfluidic devices to address research questions. Particularly lacking has been the open dissemination of protocols related to photolithography, a key step in the development of a replica mold for the manufacture of polydimethylsiloxane (PDMS) devices. While the fabrication of single height silicon masters has been explored extensively in literature, fabrication steps for more complicated photolithography features necessary for many interesting device functionalities (such as feature rounding to make valve structures, multi-height single-mold patterning, or high aspect ratio definition) are often not explicitly outlined. 
Here, we provide a complete protocol for making multilayer microfluidic devices with valves and complex multi-height geometries, tunable for any application. These fabrication procedures are presented in the context of a microfluidic hydrogel bead synthesizer and demonstrate the production of droplets containing polyethylene glycol (PEG diacrylate) and a photoinitiator that can be polymerized into solid beads. This protocol and accompanying discussion provide a foundation of design principles and fabrication methods that enables development of a wide variety of microfluidic devices. The details included here should allow non-specialists to design and fabricate novel devices, thereby bringing a host of recently developed technologies to their most exciting applications in biological laboratories.

Qui, dimostriamo la fabbricazione di valvolato, di altezza variabile stampi microfluidica multistrato facendo dispositivi in ​​grado di generare poli glicole etilenico (PEG) perle di idrogel da goccioline (Figura 2). Una panoramica del processo di fabbricazione completa è inclusa nella Figura 3. Utilizzando elementi di design da lavoro precedente, il sintetizzatore tallone impiega 4 altezze nel suo strato di flusso compreso (1) arrotondato valvole XT AZ50 per la modulazione del flusso laminare (55 micron) (2) Flusso bassa canali per introdurre reagenti a maggiore resistenza (55 micron) (3) scorrono canali elevati per dirigere il flusso in una minore resistenza alle prese e miscelatori (85 micron), e (4) un mixer herringbone avvezione (125 micron) per miscelare il PEG e reticolante in una soluzione omogenea (figure 4A e 4B). Una tabella di parametri di progettazione e vincoli di progettazione suggerite utilizzato nella costruzione di questodisegno è incluso nella Tabella 1. file di progettazione e trasferire file maschera sono inclusi nella tabella materiali. Questo protocollo dimostra arrotondamento valvole di flusso e costruendo altezze multiple sulla stessa fetta flusso attraverso passi tandem fotolitografiche senza sviluppo tra un passo (Tabella 2). Una tipica valvola di post-reflow arrotondamento profilo da un profilometro e immagini stereoscopio dei nostri valvole post-reflow sono mostrati nelle figure 5A e 5B. Risultanti altezze di fabbricazione misurate dal nostro fotolitografia multi-altezza sono elencate nella Tabella 3. Heights sono stati misurati a 10 posizioni per ogni strato su tutti i dispositivi in un unico wafer di flusso, valutando sia la variazione di wafer da dispositivo a dispositivo e attraverso. Tutte le caratteristiche osservate &lt;2% CV attraverso il wafer. schede produttore fotoresistente suggeriscono l&#39;altezza tipicavariazioni del ± 5% durante la costruzione di funzionalità multi-strato, in modo da questa tolleranza dovrebbero essere presi in considerazione se questo protocollo è regolato per un design diverso. Come con qualsiasi processo di fabbricazione, gli errori possono provocare ad ogni passo se i parametri di fabbricazione quali la velocità di centrifuga o l&#39;esposizione non sono ottimizzati per l&#39;altezza modello desiderato e la geometria. Molte risorse sono disponibili per la risoluzione dei problemi corretti tempi di esposizione e di sviluppo, tra cui un sito web la nostra struttura conserva 27. Deviazioni dalle proposte volte morbidi e duri cuocere, temperature e velocità di rampa possono generare crepe, bolle o caratteristiche incomplete. Inoltre, reidratazione del fotoresist positivo AZ50 XT prima dell&#39;esposizione è critica. Wafer senza una corretta reidratazione possono apparire crepe o contenere bolle all&#39;interno delle aree delle valvole. In questo caso, utilizzando una &#39;scatola bagnato&#39; (una scatola chiusa con un recipiente contenente acqua deionizzata) per ospitare wafeRS per la reidratazione durante la notte può aiutare. tempi più brevi per la reidratazione (~ 5-6 ore) possono essere utilizzati per funzioni XT AZ50 sotto i 50 micron con risultati simili, ma le caratteristiche più alti richiedono la reidratazione durante la notte per ridurre la possibilità di perdita di funzionalità durante l&#39;esposizione e lo sviluppo. Newer resist positivo alternative (ad esempio, AZ40XT) può eliminare la necessità per la reidratazione durante la notte; tuttavia, non abbiamo testato queste formulazioni. Come concetto proof-of-, goccioline idrogel PEG-diacrilato stati prodotti dal dispositivo tallone sintetizzatore (Figura 6A). Figure 5C e 5D mostrano immagini rappresentative di funzionamento delle valvole e la chiusura del dispositivo quando la pressurizzazione e depressurizzazione valvole. modalità di errore comuni per la pressurizzazione della valvola comprendono: l&#39;uso di una pressione insufficiente (valvole non sarà completamente stretti, che possono essere controllati dal fluire colorante alimentare), l&#39;inserimento tubo di ingresso (flusso sarà inibita setubi di metallo o perni sono spinti verso il basso troppo lontano e il dispositivo di delaminazione può provocare), e l&#39;incorporazione di polveri o fibre durante il processo di fabbricazione (canali possono essere occluse o il dispositivo possono delaminate). Per risolvere queste modalità di errore, gli utenti dovrebbero mantenere condizioni di camera bianca durante la fabbricazione e testare sistematicamente ogni valvola prima di procedere ad una corsa dispositivo. Se il dispositivo delaminazione presenta come un problema comune negli esperimenti, questo può essere risolto sia i dispositivi che eseguono a pressioni più basse (&lt;15 psi) o riducendo i tempi silanizzazione. La Figura 6A illustra il dispositivo sintetizzatore tallone in funzione produrre goccioline idrogel in una emulsione olio al generatore gocciolina giunzione T e la Figura 6B mostra perline intrappolati dalla valvola setaccio on-chip. Se polimerizzazione non è riuscita, perline passeranno attraverso una valvola setaccio. In questo caso, l&#39;intensità sorgente UV e l&#39;altezza dal dispositivo possono essere mod<html> ified per migliorare la polimerizzazione. Perline idrogel sono stati prodotti a portate di 10 psi (olio) e 9 psi (miscela reagente) utilizzando ~ 100 mW / cm 2 di alimentazione in una zona di polimerizzazione 5 mm di diametro (figure 6C e 6D). perline risultante misurata 52,6 ± 1,6 micron (media ± std). Misure sono stati analizzati per 2.992 perline usando una trasformata di Hough (MATLAB) nelle immagini in campo chiaro (figure 6C e 6D) con un filtro di dimensioni imposto di ± 3 std (28 valori anomali, 0,94% di perline). Tutta la nostra configurazione hardware per la produzione di gocce è mostrato in Figura 7. Tabella 2: Multi-Step Fotolitografia parametri. Un formato tabella di tutta la fotolitografia passi con i parametri applicabili, comprese velocità di centrifuga, tempi cuocere morbide, le energie di esposizione e tempi cuocere duri.<html> 2.xlsx &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per visualizzare questa tabella. (Tasto destro del mouse per scaricare). <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always" width="568"><tbody><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Flusso Caratteristica Strato </td><td style="width:353px;"> caratteristica Altezza </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Arrotondati valvole (rotonda Flow) </td><td style="width:353px;"> 54.43 micron (1,05 micron std., 1,9% CV) </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Canali di flusso (flusso basso) </td><td style="width:353px;"> 84.22 micron (0,91 micron std., 1,1% CV) </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Canali di flusso (portate elevate) </td><td style="width:353px;"> 54.10 micron (1,24 micron std., 2,3% CV) </td></tr><html> 2 &quot;&gt; <td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Grooves a spina di pesce (Mixer) </td><td style="width:353px;"> 124.19 micron (1,89 micron std., 1,5% CV) </td></tr></tbody></table> Tabella 3: Profilometro Heights post-fabbricazione. Altezza totale funzionalità post-fabbricazione per ciascuno degli strati fabbricate tramite multi-step fotolitografia. <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig2.jpg" /> Figura 2: Panoramica dei processo di fabbricazione. Uno schema che indica passaggi necessari per la fabbricazione di dispositivi multistrato dalla progettazione al test del dispositivo. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <html> 5276 / 55276fig3.jpg &quot;/&gt; Figura 3: Schema di multi-step fotolitografia. Sommario dell&#39;arrotondamento valvola e altezza variabile funzione di fabbricazione in fotolitografia per la creazione di un dispositivo microfluidico multistrato. Vi sono incluse le fasi per la realizzazione del dispositivo tallone sintetizzatore. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig4.jpg" /> Figura 4: Bead Sintetizzatore disegno dispositivo e immagini. (A) CAD design del dispositivo Bead sintetizzatore con i livelli indicati da colori diversi. (B) L&#39;immagine del dispositivo PDMS multistrato Bead sintetizzatore. linee di controllo appaiono in arancione, canali di flusso appaiono in blu e verde.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig5.jpg" /> Figura 5: i profili e le immagini della valvola. (A) Valvola Rappresentante profilo altezza come valutato da un profilometro. (B) Immagini rappresentative di valvole e canali circostanti nel stampaggio silicio flusso master. (C, D) Immagini di funzionamento della valvola finale sul dispositivo multistrato PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig6.jpg" /> Figura 6: Produzione di goccioline di idrogel PEG-diacrilato. (A) Immagine di idrogel gocciolina produzione al generatore di goccioline T-junction. (B) Immagine di perline post-polimerizzazione intrappolato sulla valvola setaccio quando la valvola è sotto pressione. Immagine (C) Brightfield di perline idrogel prodotte nel sintetizzatore tallone (4X). (D) distribuzione dimensionale delle perle di idrogel. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig7.jpg" /> Figura 7: installazione di funzionamento del dispositivo. Immagine con annotazione di tutto l&#39;hardware necessario per il funzionamento del dispositivo. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

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Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads.

Multi-step altezza variabile fotolitografia per Valvolati multistrato microfluidici Devices

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to ...

multi-step-variable-height-photolithography-for-valved-multilayer

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.2K Views.  Stanford University. Multilayer microfluidic devices often involve the fabrication of master molds with complex geometries for functionality. This article presents a complete protocol for multi-step photolithography with valves and variable height features tunable to any application. As a demonstration, we fabricate a microfluidic droplet generator capable of producing hydrogel beads. 

Video: Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Separating Beads and Cells in Multi-channel Microfluidic Devices Using Dielectrophoresis and Laminar Flow

Microfluidic devices have advanced cell studies by providing a dynamic fluidic environment on the scale of the cell for studying, manipulating, sorting and counting cells. However, manipulating the cell within the fluidic domain remains a challenge and requires complicated fabrication protocols for forming valves and electrodes, or demands specialty equipment like optical tweezers. Here, we demonstrate that conventional printed circuit boards (PCB) can be used for the non-contact manipulation of cells by employing dielectrophoresis (DEP) for bead and cell manipulation in laminar flow fields for bioactuation, and for cell and bead separation in multichannel microfluidic devices. First, we present the protocol for assembling the DEP electrodes and microfluidic devices, and preparing the cells for DEP. Then, we characterize the DEP operation with polystyrene beads. Lastly, we show representative results of bead and cell separation in a multichannel microfluidic device. In summary, DEP is an effective method for manipulating particles (beads or cells) within microfluidic devices.

Dielectrophoresis (DEP) is an effective method to manipulate cells. Printed circuit boards (PCB) can provide inexpensive, reusable and effective electrodes for contact-free cell manipulation within microfluidic devices. By combining PDMS-based microfluidic channels with coverslips on PCBs, we demonstrate bead and cell manipulation and separation within multichannel microfluidic devices.

Perle di separazione e celle a multi-canale dispositivi Microfluidic Utilizzando dielettroforesi e flusso laminare

Microfluidic devices have advanced cell studies by providing a dynamic fluidic environment on the scale of the cell for studying, manipulating, sorting ...

Ricerca

Bioingegneria

Fabrication of Micropatterned Hydrogels for Neural Culture Systems using Dynamic Mask Projection Photolithography

Increasingly, patterned cell culture environments are becoming a relevant technique to study cellular characteristics, and many researchers believe in the need for 3D environments to represent in vitro experiments which better mimic in vivo qualities 1-3. Studies in fields such as cancer research 4, neural engineering 5, cardiac physiology 6, and cell-matrix interaction7,8have shown cell behavior differs substantially between traditional monolayer cultures and 3D constructs.
Hydrogels are used as 3D environments because of their variety, versatility and ability to tailor molecular composition through functionalization 9-12. Numerous techniques exist for creation of constructs as cell-supportive matrices, including electrospinning13, elastomer stamps14, inkjet printing15, additive photopatterning16, static photomask projection-lithography17, and dynamic mask microstereolithography18. Unfortunately, these methods involve multiple production steps and/or equipment not readily adaptable to conventional cell and tissue culture methods. The technique employed in this protocol adapts the latter two methods, using a digital micromirror device (DMD) to create dynamic photomasks for crosslinking geometrically specific poly-(ethylene glycol) (PEG) hydrogels, induced through UV initiated free radical polymerization. The resulting "2.5D" structures provide a constrained 3D environment for neural growth. We employ a dual-hydrogel approach, where PEG serves as a cell-restrictive region supplying structure to an otherwise shapeless but cell-permissive self-assembling gel made from either Puramatrix or agarose. The process is a quick simple one step fabrication which is highly reproducible and easily adapted for use with conventional cell culture methods and substrates.
Whole tissue explants, such as embryonic dorsal root ganglia (DRG), can be incorporated into the dual hydrogel constructs for experimental assays such as neurite outgrowth. Additionally, dissociated cells can be encapsulated in the photocrosslinkable or self polymerizing hydrogel, or selectively adhered to the permeable support membrane using cell-restrictive photopatterning. Using the DMD, we created hydrogel constructs up to ~1mm thick, but thin film (&lt;200 &mu;m) PEG structures were limited by oxygen quenching of the free radical polymerization reaction. We subsequently developed a technique utilizing a layer of oil above the polymerization liquid which allowed thin PEG structure polymerization.
In this protocol, we describe the expeditious creation of 3D hydrogel systems for production of microfabricated neural cell and tissue cultures. The dual hydrogel constructs demonstrated herein represent versatile in vitro models that may prove useful for studies in neuroscience involving cell survival, migration, and/or neurite growth and guidance. Moreover, as the protocol can work for many types of hydrogels and cells, the potential applications are both varied and vast.

Simple techniques are described for the rapid production of microfabricated neural culture systems using a digital micromirror device for dynamic mask projection lithography on regular cell culture substrates. These culture systems may be more representative of natural biological architecture, and the techniques described could be adapted for numerous applications.

Fabbricazione di idrogel Micropatterned per i sistemi Cultura neurali utilizzando Dynamic Fotolitografia proiezione Mask

Increasingly, patterned cell culture environments are becoming a relevant technique to study cellular characteristics, and many researchers believe in the ...

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

Micro fabricated fluidic devices provide an accessible micro-environment for in vivo studies on small organisms. Simple fabrication processes are available for microfluidic devices using soft lithography techniques 1-3. Microfluidic devices have been used for sub-cellular imaging 4,5, in vivo laser microsurgery 2,6 and cellular imaging 4,7. In vivo imaging requires immobilization of organisms. This has been achieved using suction 5,8, tapered channels 6,7,9, deformable membranes 2-4,10, suction with additional cooling 5, anesthetic gas 11, temperature sensitive gels 12, cyanoacrylate glue 13 and anesthetics such as levamisole 14,15. Commonly used anesthetics influence synaptic transmission 16,17 and are known to have detrimental effects on sub-cellular neuronal transport 4. In this study we demonstrate a membrane based poly-dimethyl-siloxane (PDMS) device that allows anesthetic free immobilization of intact genetic model organisms such as Caenorhabditis elegans (C. elegans), Drosophila larvae and zebrafish larvae. These model organisms are suitable for in vivo studies in microfluidic devices because of their small diameters and optically transparent or translucent bodies. Body diameters range from ~10 &mu;m to ~800 &mu;m for early larval stages of C. elegans and zebrafish larvae and require microfluidic devices of different sizes to achieve complete immobilization for high resolution time-lapse imaging. These organisms are immobilized using pressure applied by compressed nitrogen gas through a liquid column and imaged using an inverted microscope. Animals released from the trap return to normal locomotion within 10 min.
We demonstrate four applications of time-lapse imaging in C. elegans namely, imaging mitochondrial transport in neurons, pre-synaptic vesicle transport in a transport-defective mutant, glutamate receptor transport and Q neuroblast cell division. Data obtained from such movies show that microfluidic immobilization is a useful and accurate means of acquiring in vivo data of cellular and sub-cellular events when compared to anesthetized animals (Figure 1J and 3C-F 4).
Device dimensions were altered to allow time-lapse imaging of different stages of C. elegans, first instar Drosophila larvae and zebrafish larvae. Transport of vesicles marked with synaptotagmin tagged with GFP (syt.eGFP) in sensory neurons shows directed motion of synaptic vesicle markers expressed in cholinergic sensory neurons in intact first instar Drosophila larvae. A similar device has been used to carry out time-lapse imaging of heartbeat in ~30 hr post fertilization (hpf) zebrafish larvae. These data show that the simple devices we have developed can be applied to a variety of model systems to study several cell biological and developmental phenomena in vivo.

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

A simple microfluidic device has been developed to perform anesthetic free in vivo imaging of C. elegans, intact Drosophila larvae and zebrafish larvae. The device utilizes a deformable PDMS membrane to immobilize these model organisms in order to perform time lapse imaging of numerous processes such as heart beat, cell division and sub-cellular neuronal transport. We demonstrate the use of this device and show examples of different types of data collected from different model systems.

Semplici dispositivi microfluidici per<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging di<em&gt; C. elegans</em&gt;,<em&gt; Drosophila</em&gt; E Zebrafish

Micro fabricated fluidic devices provide an accessible micro-environment for in vivo studies on small organisms. Simple fabrication processes are ...

Multi-step Preparation Technique to Recover Multiple Metabolite Compound Classes for In-depth and Informative Metabolomic Analysis

Metabolomics is an emerging field which enables profiling of samples from living organisms in order to obtain insight into biological processes. A vital aspect of metabolomics is sample preparation whereby inconsistent techniques generate unreliable results. This technique encompasses protein precipitation, liquid-liquid extraction, and solid-phase extraction as a means of fractionating metabolites into four distinct classes.&#160;Improved enrichment of low abundance molecules with a resulting increase in sensitivity is obtained, and ultimately results in more confident identification of molecules. This technique has been applied to plasma, bronchoalveolar lavage fluid, and cerebrospinal fluid samples with volumes as low as 50 &#181;l. &#160;Samples can be used for multiple downstream applications; for example, the pellet resulting from protein precipitation can be stored for later analysis. The supernatant from that step undergoes liquid-liquid extraction using water and strong organic solvent to separate the hydrophilic and hydrophobic compounds. Once fractionated, the hydrophilic layer can be processed for later analysis or discarded if not needed. The hydrophobic fraction is further treated with a series of solvents during three solid-phase extraction steps to separate it into fatty acids, neutral lipids, and phospholipids. This allows the technician the flexibility to choose which class of compounds is preferred for analysis. It also aids in more reliable metabolite identification since some knowledge of chemical class exists.

The reliability of results in metabolomics experiments depends on the effectiveness and reproducibility of the sample preparation. Described is a rigorous and in-depth method that enables extraction of metabolites from biological fluids with the option of subsequently analyzing up to thousands of compounds, or just the compound classes of interest.

Multi-step di preparazione tecnica per recuperare più classi di composti metabolita di approfondita analisi e Metabolomica informativo

Metabolomics is an emerging field which enables profiling of samples from living organisms in order to obtain insight into biological processes. A vital ...

Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a photomask consisting of embedded micro-lenses. Embedded micro-lenses were found to influence MN geometry (sharpness). Robust MN arrays with tip diameters ranging between 41.5 &#181;m &#177; 8.4 &#181;m and 71.6 &#181;m &#177; 13.7 &#181;m, with two different lengths (1,336 &#181;m &#177; 193 &#181;m and 957 &#181;m &#177; 171 &#181;m) were fabricated. These MN arrays may provide potential applications in delivery of low molecular and macromolecular therapeutic agents through skin.

Here, we present a protocol describing a mold-free fabrication process of the polymeric microneedles by photolithography.

Polimerici Microneedle Array Fabrication per Fotolitografia

This manuscript describes the fabrication of polymeric microneedle (MN) arrays by photolithography. It involves a simple mold-free process by using a ...

Layer-by-layer Collagen Deposition in Microfluidic Devices for Microtissue Stabilization

Although microfluidics provides exquisite control of the cellular microenvironment, culturing cells within microfluidic devices can be challenging. 3D culture of cells in collagen type I gels helps to stabilize cell morphology and function, which is necessary for creating microfluidic tissue models in microdevices. Translating traditional 3D culture techniques for tissue culture plates to microfluidic devices is often difficult because of the limited channel dimensions. In this method, we describe a technique for modifying native type I collagen to generate polycationic and polyanionic collagen solutions that can be used with layer-by-layer deposition to create ultrathin collagen assemblies on top of cells cultured in microfluidic devices. These thin collagen layers stabilize cell morphology and function, as shown using primary hepatocytes as an example cell, allowing for the long term culture of microtissues in microfluidic devices.

The creation of functional microtissues within microfluidic devices requires the stabilization of cell phenotypes by adapting traditional cell culture techniques to the limited spatial dimensions in microdevices. Modification of collagen allows the layer-by-layer deposition of ultrathin collagen assemblies that can stabilize primary cells, such as hepatocytes, as microfluidic tissue models.

Layer-by-layer collagene Deposizione nel Microfluidic Dispositivi per microtessuto Stabilizzazione

Although microfluidics provides exquisite control of the cellular microenvironment, culturing cells within microfluidic devices can be challenging. 3D ...

Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol adhesive through a metal stencil, the overall amount of adhesive used in assembling paper microfluidic devices can be significantly reduced. We show on a simple 4-layer planar paper microfluidic device that the optimal adhesive application technique and device construction style depends heavily on desired performance characteristics. By moderately increasing the overall area of a device, it is possible to dramatically decrease the wicking time and increase device success rates while also reducing the amount of adhesive required to keep the device together. Such adhesive application also causes the adhesive to form semi-permanent bonds instead of permanent bonds between paper layers, enabling single-use devices to be non-destructively disassembled after use. Nonplanar 3D origami devices also benefit from the semi-permanent bonds during folding, as it reduces the likelihood that unrelated faces may accidently stick together. Like planar devices, nonplanar structures see reduced wicking times with patterned adhesive application vs uniformly applied adhesive.

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct 3D paper microfluidic devices. This method of adhesive application forms semi-permanent bonds between layers, enabling single-use devices to be non-destructively disassembled after use and to ease folding complex nonplanar structures.

Utilizzando adesivo Patterning per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol ...

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other physical or chemical stimuli. They have been commonly used for in vitro cell studies by providing in vivo like surroundings. Especially, how cells response to chemical gradients, electrical fields, and shear stresses has drawn many interests since these phenomena are important in understanding cellular properties and functions. These microfluidic chips can be made of glass substrates, silicon wafers, polydimethylsiloxane (PDMS) polymers, polymethylmethacrylate (PMMA) substrates, or polyethyleneterephthalate (PET) substrates. Out of these materials, PMMA substrates are cheap and can be easily processed using laser ablation and writing. Although a few microfluidic devices have been designed and fabricated for generating multiple, coexisting chemical and electrical stimuli, none of them was considered efficient enough in reducing experimental repeats, particular for screening purposes. In this report, we describe our design and fabrication of two PMMA-based microfluidic chips for investigating cellular responses, in the production of reactive oxygen species and the migration, under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli. The first chip generates five relative concentrations of 0, 1/8, 1/2, 7/8, and 1 in the culture regions, together with a shear stress gradient produced inside each of these areas. The second chip generates the same relative concentrations, but with five different electric field strengths created within each culture area. These devices not only provide cells with a precise, controllable micro-environment but also greatly increase the experimental throughput.

Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.

Progettazione di dispositivi microfluidici per lo studio Risposte cellulare in singolo o Coesistenza chimico / elettrico / Shear stress stimoli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

Fabbricazione di dispositivi microfluidici basati su carta tridimensionale per gli immunodosaggi

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under combinations of chemical and oxygen gradients. Both chemical and oxygen gradients can greatly affect cell migration in vivo; however, due to technical limitations, very little research has been performed to investigate their effects in vitro. The device developed in this research takes advantage of a series of serpentine-shaped channels to generate the desired chemical gradients and exploits a spatially confined chemical reaction method for oxygen gradient generation. The directions of the chemical and oxygen gradients are perpendicular to each other to enable straightforward migration result interpretation. In order to efficiently generate the oxygen gradients with minimal chemical consumption, the embedded PC thin film is utilized as a gas diffusion barrier. The developed microfluidic device can be actuated by syringe pumps and placed into a conventional cell incubator during cell migration experiments to allow for setup simplification and optimized cell culture conditions. In cell experiments, we used the device to study migrations of adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells, A549, under combinations of chemokine (stromal cell-derived factor, SDF-1&#945;) and oxygen gradients. The experimental results show that the device can stably generate perpendicular chemokine and oxygen gradients and is compatible with cells. The migration study results indicate that oxygen gradients may play an essential role in guiding cell migration, and cellular behavior under combinations of gradients cannot be predicted from those under single gradients. The device provides a powerful and practical tool for researchers to study interactions between chemical and oxygen gradients in cell culture, which can promote better cell migration studies in more in vivo-like microenvironments.

The control of chemical and oxygen gradients is essential for cell cultures. This paper reports a polydimethylsiloxane-polycarbonate (PDMS-PC) microfluidic device capable of reliably generating combinations of chemical and oxygen gradients for cell migration studies, which can be practically utilized in biological labs without sophisticated instrumentation.

Polidimetilsilossano-policarbonato dispositivi microfluidici per Cell Migration Studies Sotto perpendicolare chimica e gradienti di ossigeno

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under ...