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.

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Este trabalho demonstra um protocolo de fotolitografia multi-passo completo para um dispositivo microfluídico multicamadas com válvulas e geometria altura variável que pode ser ajustado para qualquer aplicação com simples modificações nos parâmetros de fabricação com base em nossas ferramenta online 26 e fabricante instruções 25. Este protocolo destina-se a desmistificar fotolitografia multicamadas para pesquisadores que desejam construir dispositivos microfluídicos para além, moldes de uma camada passiva simples. Dispositivos microfluídicos multicamadas permitir a busca de funcionalidades avançadas dentro de um único dispositivo de polímero macio para o &quot;laboratório em um chip&quot; aplicações que vão desde a análise única célula para ensaios bioquímicos alto rendimento 1. O dispositivo talão sintetizador construído aqui demonstra várias alturas com uma camada de fluxo único e as duas geometrias totalmente lacrado e válvulas peneira para produzir gotas de hidrogel que cum ser polimerizado para pérolas de polímero. A presença de válvulas permite o controle automático, programável sobre a função chip que pode ser facilmente implementado com qualquer linguagem de scripting (ou seja, MATLAB, o LabVIEW, ou Python) que interage com os módulos de um laboratório de controle de fluxo (isto é, bombas de seringa e / ou reguladores de pressão ). Nesta demonstração, o software MATLAB personalizado (código fornecido na referência 28) comunica com Modbus-controlados matrizes válvula solenóide em uma configuração personalizada pneumático 28 e um sistema MFCS controle de fluxo para pressurizar fluidos no dispositivo, mas muitas outras opções para controle de fluxo estão comercialmente acessível. Projetos e sugestões adicionais são incluídos para ajudar a maximizar o sucesso de engenheiros microfluídicos pela primeira vez. As etapas de fabricação mostrados aqui deve provar geralmente adaptável a uma grande variedade de padrões de fotolitografia para dispositivos microfluídicos. Em um dos passos (fluxo alto), 30^ m características foram adicionadas à camada inferior fotorresistente (fluxo baixo, 55 uM) para criar uma altura composto de 85 uM. Este passo pode ser usado para fazer características de espessura, sem a necessidade de fotorresistentes mais viscosos (que são mais difíceis de trabalhar). Noutro passo (espinha), funcionalidades ter sido fabricado no topo de um canal previamente reticulado, criando ranhuras modeladas na parte inferior de um microcanal quando réplica moldado em PDMS. Este passo pode ser adaptado por usuários para criar geometrias complexas, incluindo arquiteturas de bem-dentro-de-bem, se desejado. O sucesso do presente processo de fabrico é demonstrada utilizando o dispositivo de grânulo sintetizador para produzir pérolas de polímero a partir de gotas de PEG-diacrilato. Explorando as pressões de fluxo diferentes podem modular o regime de gota para produzir grânulos de diferentes tamanhos. Além disso, os aditivos podem ser incluídas facilmente dentro da mistura de polímero. Estas pérolas de hidrogel podem ser utilizadas para uma variedade de fins, incluindocodificação espectral através da incorporação de fósforos fluorescentes ou luminescentes, entrega da droga, ou ensaios celulares via funcionalização da superfície. Se este protocolo é adoptado para a construção de um dispositivo de microfluidos diferente do que o sintetizador de grânulo aqui apresentada, deve notar-se certos passos são essenciais para alcançar uma elevada probabilidade de sucesso na primeira tentativa de fabricação. Nós e outros observaram que a optimização da temperatura coza macio, duração, e velocidade rampa é crítico para evitar a retenção do solvente residual na película de resistir através da formação de crosta (o que pode levar a borbulhamento de azoto gasoso aprisionado durante a exposição) 29. Além disso, uma etapa de re-hidratação durante a noite melhora a reprodutibilidade dos tempos de exposição necessários para camadas espessas AZ50 XT e reduz a variabilidade espacial nas taxas de desenvolvimento em toda a bolacha. Por fim, um longo (14-15 horas) após a exposição de bolos com uma rampa lenta rodadas características fotossensíveis retangulares para formar vaLves sem deformar geometrias de válvula para uma ampla variedade de espessuras fotossensíveis testados. Vários dos procedimentos aqui apresentados para o fabrico de camadas de material fotosensitivo negativo incluem pequenas diferenças de instruções do fabricante. Sugerimos um processo de cozer macio de três passos que se move entre as placas bolachas quente a 65 ° C, 95 ° C, e 65 ° C. Descobrimos que o aquecimento gradual dos wafers reduz o aparecimento de defeitos durante a exposição resultante da ruptura de bolhas de gás presas dentro fotorresistente através da formação de uma &quot;massa&quot; macia durante o cozimento. Por outro lado, o arrefecimento gradual das bolachas após a cozedura suave pode reduzir a fissuração fotorresistente. Finalmente, verificou-se que aumentando os tempos de relaxamento para fotorresistente ~ 20 min reduz a pequenas variações na resistência através altura da bolacha. Devido à flexibilidade deste protocolo fabricação, esperamos que ele terá ampla utilidade para diferentes dispositivos em disciplines. Enquanto alternativas como a impressão em 3D, gravação de vidro e gravação também pode atingir a fabricação de microfluidos, padronização litográfica pode alcançar funcionalidade mais complexa, tais como válvulas, que outros métodos ainda não alcançaram em grande escala. A principal limitação deste protocolo é tempo de design-to-teste, que leva ~ 3 dias (principalmente devido aos passos necessários para fabricar válvulas arredondados). Esperamos que a divulgação aberta de protocolos em microfluídica, especialmente em relação às etapas de fotolitografia complicadas, vai incentivar a inovação contínua no campo e que esta demonstração de prova de conceito vai ajudar no sentido de ajudar os usuários a solucionar problemas de fabricação.

<html> Durante os últimos 15 anos, como um campo de microfluidos sofreu um crescimento rápido, com uma explosão de novas tecnologias que permitem a manipulação de fluidos em escala micrométrica 1. Sistemas microfluidicos são atraentes para as plataformas funcionalidade laboratório molhado, porque os pequenos volumes tem o potencial para realizar o aumento da velocidade e a sensibilidade ao mesmo tempo, aumentar dramaticamente o rendimento e reduzindo o custo por aproveitar as economias de escala de 2, 3. Sistemas microfluídicos multicamadas fizeram impactos particularmente significativos em aplicações de análise bioquímica de alto rendimento, como a análise única célula 4, 5, 6, análise única molécula (por exemplo, digitais PCR 7), cristalografia de proteínas 8, ensaios de ligação do factor de transcriçãof &quot;&gt; 9, 10, 11 e triagem celular. Um objetivo central da microfluídica tem sido o desenvolvimento de &quot;laboratório em um chip&quot; dispositivos capazes de realizar manipulações de fluidos complexos dentro de um único dispositivo para análise bioquímica total de 12. O desenvolvimento de técnicas de litografia suave multi-camada tem ajudado a realizar este objetivo, permitindo a criação de válvulas on-chip, misturadores e bombas para controlar ativamente fluidos dentro de pequenos volumes 13, 14, 15. Apesar de suas vantagens e aplicações demonstradas, muitas dessas tecnologias microfluídicos permanecem em grande parte unharnessed por utilizadores não especialistas. adopção generalizada tem sido um desafio, em parte devido ao acesso limitado a instalações de microfabricação, mas também devido à comunicação inadequada de técnicas de fabricação. Isto é especialmente verdadeiro for dispositivos microfluídicos multicamadas que caracterizam as estruturas de válvulas ou geometrias complexas: a escassez de informações detalhadas e práticas sobre os parâmetros de design importantes e técnicas de fabricação, muitas vezes desencoraja novos pesquisadores de embarcar em projetos que envolvem a concepção e criação destes dispositivos. Este artigo pretende abordar essa lacuna de conhecimento através da apresentação de um protocolo completo para a fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas e características altura variável, a partir de parâmetros de projeto e movendo-se através de todas as etapas de fabricação. Ao concentrar-se nas etapas de fotolitografia iniciais de fabricação, este protocolo complementa outros protocolos microfluidics 16 que descrevem os passos a jusante da fundição dispositivos a partir de moldes e funcionando experimentos específicos. microcanais com válvulas monolítico on-chip são compostas de duas camadas: um &quot;fluxo&quot; camada, onde o fluido de interesse é manipulado em microcanais, e um &quot;controlo&quot; da camada, onde microcanais contendo ar ou água são capazes de modular selectivamente o fluxo de fluido na camada de escoamento 14. Estas duas camadas são fabricados sobre cada um mestre de moldagem de silicone separada, que é subsequentemente utilizado para polidimetilsiloxano (PDMS) de moldagem réplica num processo chamado &quot;litografia macia 17.&quot; Para formar um dispositivo de camadas múltiplas, cada uma das camadas de PDMS são expressos sobre as suas respectivas mestres de moldagem e, em seguida, alinhados um ao outro, formando assim um dispositivo de PDMS compósito com canais em cada camada. As válvulas são formadas em locais em que os canais de fluxo e de controlo cruzam um ao outro e estão separados apenas por uma fina membrana; pressurização do canal de controlo desvia desta membrana para ocluir o canal de fluxo e localmente deslocar o fluido (Figura 1). Activo válvulas on-chip pode ser fabricado de várias maneiras, dependendo da aplicação final desejada. válvulaspode ser configurado em qualquer uma &quot;empurrar para baixo&quot; ou de &quot;empurrar para cima&quot; geometria, dependendo se a camada de controlo está acima ou abaixo da camada de escoamento (Figura 1) 15. &quot;Push up&quot; geometrias permitem menores pressões de fechamento e estabilidade dispositivo maior contra delaminação, enquanto &quot;empurrar para baixo&quot; geometrias permitir que os canais de fluxo de estar em contacto directo com o substrato aderido, conferindo a vantagem de funcionalização seletiva ou padronização da superfície do substrato para a funcionalidade mais tarde, 18, 19. Válvulas também pode ser intencionalmente leaky válvulas &quot;peneira&quot; ou totalmente selável, dependendo do perfil da secção transversal do canal de fluxo. Sieve válvulas são úteis para a captura de células de grânulos, ou outros macroanalytes 1, e são fabricados por meio da utilização de substâncias fotoquímicas reactivas típicas negativos (isto é, SU-8 Série), que have perfis rectangulares. Quando um canal de controlo está pressurizada ao longo destas regiões da válvula, a membrana de PDMS entre o controlo e a camada de escoamento desvia isotropicamente no perfil rectangular da válvula sem selar os cantos, que permite o escoamento de fluido mas prendendo partículas em escala macro (Figura 1). Por outro lado, válvulas microfluídicos totalmente selï¿½eis são fabricados pela inclusão de um pequeno pedaço de fotorresiste arredondada em locais de válvulas. Com esta geometria, a pressurização do canal de controlo desvia da membrana contra a camada de fluxo de arredondado para selar completamente o canal, interrompendo o fluxo de fluido. Perfis arredondados na camada de fluxo são gerados através da fusão e refusão de fotorresiste positivo (por exemplo, AZ50 XT ou SPR 220), após as etapas de fotolitografia típicos. Temos anteriormente demonstrado que as alturas pós-refluxo das regiões válvula depender de dimensões de recursos escolhidos 21. Este protocolo demonstra a fabricação de ambas as geometrias de válvulas comem um dispositivo de síntese de grânulo. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig1.jpg" /> Figura 1: Multilayer Microfluidic Válvula Geometrias. &quot;push up&quot; arquiteturas de dispositivos típicos para peneira e válvulas totalmente selï¿½eis antes (superior) e depois (inferior) pressurização. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Os dispositivos também podem incluir características passivas complexos, tais como misturadores caóticos 13 e on-chip resistências 20 que requerem características de várias alturas diferentes dentro de uma camada de fluxo único. Para atingir uma camada de fluxo de altura variável, diferentes grupos têm utilizado vários métodos, incluindo placa de circuito impresso gravura 22, multicamadas alinhamento alívio PDMS 23, ou multi-passo photolithography 24. O nosso grupo encontrou multi-passo fotolitografia num único mestre de moldagem ser um método eficaz e reprodutível. Para fazer isso, é empregue uma técnica de construção de fotolitografia simples grossos canais de fotorresistente negativo (por exemplo, SU-8 fotorresistentes Series) em camadas, sem desenvolvimento em entre a aplicação de cada camada. Cada camada é girada em fotorresiste negativo de acordo com a sua espessura usando as instruções do fabricante 25 sobre o mestre de silício. As características desta altura são então modelado sobre a camada usando uma máscara de transparência específica (Figura 2), afixada uma placa de máscara de vidro e alinhadas com a camada previamente fiado antes da exposição. Em multi-etapa de fotolitografia, o alinhamento preciso entre as camadas é fundamental na formação de um canal completo fluxo de altura variável. Após o alinhamento, cada camada é submetida a um cozimento pós-exposição dependente da espessura. Sem o desenvolvimento, a próxima camada é similarly modelado. Desta forma, as características de altura pode ser construída com uma única bolacha de escoamento da camada-por-camada através da utilização de várias máscaras. Ao pular desenvolvimento entre cada passo, as camadas de resina fotossensível anteriores pode ser usado para gerar características compostas altura (ou seja, duas camadas 25 um pode fazer uma característica 50 uM) 24. Além disso, as características do canal de chão tal como um misturador caótico sulcos em ziguezague 13 pode ser feita usando camadas com características anteriormente expostos. Um passo final de desenvolvimento conclui o processo, criando uma única bolacha de fluxo com características de altura variável (Figura 3). Aqui, um protocolo completo para multi-etapa de fotolitografia, que inclui exemplos de todos os procedimentos necessários para fabricar válvulas on-chip e canais de fluxo com várias alturas é fornecido. Este protocolo de fabricação é apresentada no contexto de um sistema multi-camada sintetizador talão de microfluidos que requer válvulas e variable-height caracteriza pela sua funcionalidade. Este dispositivo inclui t-cruzamentos para gerar gotículas de água em uma bainha de petróleo, resistores on-chip para modular as taxas de fluxo através do controle da resistência Poiseuille, um misturador caótica para homogeneizar componentes de gotículas, e ambas as válvulas totalmente vedação e peneira para permitir fluxos de trabalho automatizados que envolvem reagente múltipla insumos. Usando multi-etapa de fotolitografia, esses recursos são cada fabricada em uma camada diferente de acordo com a altura ou fotossensíveis; as seguintes camadas são construídas neste protocolo: (1) Camada de Fluxo redondo válvula (55 uM, AZ50 XT) (2) de escoamento da camada de baixo (55 pM, SU-2050 8) (3) alto fluxo de camada (85 uM, SU- 8 2025, 30 um aditivo de altura), e (4) Herringbone ranhuras (125 uM, SU-8 2025, 40 uM altura aditivo) (Figura 3). As pérolas de hidrogel podem ser utilizadas para uma variedade de aplicações, incluindo a funcionalização selectiva de superfície para ensaios a jusante, o encapsulamento de drogas, radiotracing e de imagem ensaios e incorporação celular; que anteriormente usado uma versão mais complexa desses dispositivos para produzir pérolas de PEG hidrogel espectralmente codificados contendo nanophosphors lantanídeos 20. Os projetos discutidos aqui são incluídos em Recursos adicionais para qualquer laboratório para usar em seus esforços de pesquisa se desejar. Prevemos que este protocolo irá fornecer um recurso aberto para especialistas e não-especialistas da mesma forma interessados ​​na fabricação de dispositivos microfluídicos multicamadas com válvulas ou geometrias complexas para diminuir a barreira de entrada em microfluídica e aumentar as chances de sucesso de fabricação.

<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.

Aqui, demonstramos a fabricação de válvulas, de altura variável moldes de microfluidos multicamadas, fazendo dispositivos capazes de gerar poli etileno glicol (PEG) a partir de pérolas de hidrogel gotículas (Figura 2). Uma visão geral do processo de fabricação completa está incluído na Figura 3. Usando elementos de design do trabalho anterior, o sintetizador talão emprega 4 alturas em sua camada de fluxo, incluindo (1) arredondado válvulas XT AZ50 de modulação de fluxo laminar (55 mm) (2) fluxo baixa canais para a introdução de reagentes a uma temperatura mais elevada resistência (55? M) (3) de fluxo canais de alta para dirigir o fluxo de menor resistência para as tomadas e os misturadores (85 uM), e (4) um misturador de espinha de peixe advection (125 uM) para a mistura do PEG e agente reticulante para uma solução homogénea (Figuras 4A e 4B). Uma tabela de parâmetros de projeto e restrições de design sugeridos utilizado na construção desteprojeto está incluído no Quadro 1. arquivos de Design e arquivos de transferência de máscara estão incluídos na Tabela de Materiais. Este protocolo demonstra arredondamento válvulas de fluxo e construção de múltiplas alturas no mesmo wafer de fluxo através de passos em tandem sem desenvolvimento de fotolitografia entre cada passo (Tabela 2). Uma válvula de pós-refusão típica arredondamento perfil de um profilometer e imagens estereoscópio de nossas válvulas de pós-refluxo são mostrados nas Figuras 5A e 5B. Resultantes alturas de fabricação medidos do nosso multi-altura fotolitografia estão listadas na Tabela 3. Heights foram medidos em 10 locais por cada camada em todos os dispositivos em um único wafer de fluxo, avaliando tanto a variação wafer de dispositivo para dispositivo e do outro lado. Todas as características observadas &lt;2% CV do outro lado da bolacha. folhas de dados fotossensíveis fabricante sugerem altura típicavariações de ± 5%, quando a construção de funções de multi-camada, de modo a tolerância devem ser tidos em conta se este protocolo é ajustado para um design diferente. Como acontece com qualquer processo de fabricação, os erros podem resultar em cada passo se os parâmetros de fabricação, tais como a velocidade de centrifugação ou a exposição não são otimizados para a altura padrão desejado e geometria. Muitos recursos estão disponíveis para solucionar os tempos de exposição e desenvolvimento adequados, incluindo um website nossa unidade mantém 27. Desvios das vezes sugeridas moles e duros assar, temperaturas e taxas de rampa pode gerar rachaduras, bolhas ou recursos incompletos. Além disso, a re-hidratação do fotorresistente positivo AZ50 XT antes da exposição é crítica. Bolachas sem reidratação adequada podem aparecer rachados ou conter bolhas dentro das áreas de válvulas. Se isto ocorrer, usando uma &quot;caixa molhado&quot; (uma caixa fechada com um prato contendo água desionizada) para abrigar wafers para a reidratação durante a noite pode ajudar. vezes reidratação mais curtos (~ 5-6 hr) pode ser utilizado para funções XT AZ50 com menos de 50 mm com resultados semelhantes, mas as características mais altas requerem reidratação durante a noite para reduzir a possibilidade de perda de função durante a exposição e desenvolvimento. Recentes positivo resistir alternativas (por exemplo, AZ40XT) pode eliminar a necessidade de re-hidratação durante a noite; no entanto, nós não testamos essas formulações. Como uma prova de conceito-, gotículas de hidrogel diacrilato de PEG-foram produzidos a partir do dispositivo de cordão de sintetizador (Figura 6A). Figuras 5C e 5D mostram imagens representativas de funcionamento da válvula e fechamento no dispositivo quando pressurização e despressurização válvulas. modos de erro comuns para a pressurização da válvula incluem: o uso de pressão insuficiente (válvulas não vai fechar totalmente, que podem ser verificados por fluindo corante alimentar), inserção de tubo de entrada (fluxo será inibida setubos metálicos ou pinos são empurrados para baixo demais e dispositivo de delaminação pode resultar), e incorporação de pó ou fibras durante o processo de fabricação (canais podem ser ocluído ou o dispositivo pode descamar). Para solucionar esses modos de erro, os usuários devem manter as condições de sala limpa durante a fabricação e sistematicamente testar cada válvula antes de prosseguir para uma corrida dispositivo. Se o dispositivo de delaminação apresenta como um problema comum em experimentos, isto pode ser remediado por qualquer dispositivos que executam a pressões mais baixas (&lt;15 psi) ou reduzindo os tempos de silanização. A Figura 6A mostra o dispositivo sintetizador de grânulo em funcionamento que produzem gotas de hidrogel numa emulsão de óleo no gerador de gotícula de junção T e A Figura 6B mostra grânulos presos pela válvula de crivo no chip. Se a polimerização não é bem sucedida, grânulos irão passar através de um peneiro de válvula. Se isto ocorrer, a intensidade da fonte de UV e a altura a partir do dispositivo pode ser mod<html> acidificado para melhorar a polimerização. As pérolas de hidrogel foram produzidos a caudais de 10 psi (óleo) e 9 psi (mistura de reagente) usando ~ 100 mW / cm 2 poder sobre uma área de polimerização 5 mm de diâmetro (Figuras 6C e 6D). grânulos resultantes medidos 52,6 ± 1,6 mm (média ± std). Tamanhos foram analisadas para 2.992 esferas usando uma Transformada de Hough (MATLAB) em imagens de campo claro (Figuras 6c e 6d) com um filtro de tamanho imposto de ± 3 std (28 pontos extremos, 0,94% de contas). Toda a nossa configuração de hardware para a produção de gotículas é mostrado na Figura 7. Tabela 2: Multi-Passo Fotolitografia Parameters. Um formato de tabela de todos os fotolitografia passos com os parâmetros aplicáveis, incluindo a velocidade de centrifugação, os tempos de assar suaves, as energias de exposição e os tempos de bolos duros.<html> 2.xlsx &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver nesta tabela. (Botão direito do mouse para baixar). <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;"> Fluxo camada de recurso </td><td style="width:353px;"> característica Altura </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Arredondados Válvulas (Fluxo Circular) </td><td style="width:353px;"> 54,43 mm (1,05 mm std., 1,9% CV) </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Canais de fluxo (baixo fluxo) </td><td style="width:353px;"> 84.22 m (0,91 mm std., 1,1% CV) </td></tr><tr height="22"><td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Canais de fluxo (alto fluxo) </td><td style="width:353px;"> 54.10 m (1,24 mm std., 2,3% CV) </td></tr><html> 2 &quot;&gt; <td height="22" style="height:22px;width:215px;"> Grooves espinha de peixe (Mixer) </td><td style="width:353px;"> 124,19 m (1,89 uM std., 1,5% CV) </td></tr></tbody></table> Tabela 3: Profilometer Heights pós-fabricação. Altura total característica de pós-fabrico para cada uma das camadas fabricadas através de várias etapas de fotolitografia. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig2.jpg" /> Figura 2: Visão geral do processo de fabricação. Um esquema indicando etapas envolvidas na fabricação de dispositivos de múltiplas camadas de design para o teste do dispositivo. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <html> 5276 / 55276fig3.jpg &quot;/&gt; Figura 3: Representação esquemática de multi-passo fotolitografia. Visão geral do arredondamento da válvula e altura variável Elemento fabricação na fotolitografia para a criação de um dispositivo de microfluidos de multicamadas. Incluem-se aqui os passos para a fabricação do dispositivo talão sintetizador. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig4.jpg" /> Figura 4: Bead Synthesizer Dispositivo projeto e imagens. Desenho (A) do dispositivo de CAD do grânulo Sintetizador com camadas indicadas por cores diferentes. (B) Imagem do dispositivo PDMS multicamadas Bead Synthesizer. linhas de controle aparecem na cor laranja, canais de fluxo aparecem em azul e verde.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig5.jpg" /> Figura 5: Perfis da válvula e imagens. (A) perfil de altura da válvula representativas tal como avaliado por um perfilómetro. (B) Imagens representativas de válvulas e canais que cercam na moldagem de silício wafer fluxo mestre. (C, D) Imagens de operação final de válvula no dispositivo multicamadas PDMS. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig6.jpg" /> Figura 6: A produção de gotas de hidrogel diacrilato de PEG-. (A) Imagem do hidrogel gota production no gerador gota entroncamento. (B) Imagem de grânulos pós-polimerização presas na válvula de peneira quando a válvula está pressurizada. Imagem (C) de campo claro de pérolas de hidrogel produzidos no sintetizador de talão (4X). (D) a distribuição de tamanho de pérolas de hidrogel. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/55276/55276fig7.jpg" /> Figura 7: setup operação do dispositivo. Imagem com anotação de todo o hardware necessário para o funcionamento do dispositivo. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55276/55276fig7large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta 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-passo fotolitografia Variável Altura para Valved multicamada microfluídicos Devices

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

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.2K visualizações.  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. 

Vídeo: 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.

Beads separação e Células em dispositivos multi-canal microfluídicos Usando dieletroforese e Fluxo Laminar

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

Bioengenharia

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.

Fabricação de hidrogéis micropatterned para Sistemas de Cultura Neural usando fotolitografia Projeção Dinâmica Máscara

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.

Simples dispositivos microfluídicos para<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging de<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.

Preparação Técnica Multi-passo para recuperar várias classes compostas metabólito para em profundidade e análise metabolômica 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.

Polimérico Fabrication matriz Microneedle por 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.

Camada por camada de colágeno Deposição em microfluídicos para Microtissue Estabilização

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.

Usando Adhesive Padronização Construir 3D de papel microfluídicos

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.

Projetando microfluídicos para Estudar respostas celulares Sob único ou coexistindo Chemical / Elétrica / tensão de cisalhamento Estímulos

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.

Fabricação de dispositivos microfluídicos tridimensional baseados em papel para imunoensaios

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.

Polidimetilsiloxano-policarbonato microfluídicos para celular Estudos Migratórios Sob Perpendicular Chemical e gradientes de oxigênio

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