高品質のラピッドプロトタイピング

Jan 31, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1232 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ソフト リソグラフィーにより、フォトリソグラフィーでパターン化されたモールドを使用してポリジメチルシロキサン (PDMS) などの変形可能なエラストマーをパターン化することにより、正確なマイクロ流体フィーチャーの迅速なプロトタイピングが可能になりました。 PDMS の柔軟性が欠点となるマイクロ流体応用では、より剛性の高いさまざまな材料が提案されています。 代替品と比較して、エポキシおよびガラスから製造されたデバイスは、優れた機械的性能、機能解像度、および溶媒適合性を備えています。 ここでは、ソフトリソグラフィーでパターン化されたエポキシとガラスから硬質マイクロ流体デバイスを製造するための詳細な段階的な方法を提供します。 接合プロトコルが最適化され、500 psi を超える圧力に耐えるデバイスが得られました。 この方法を使用して、高スループットの細胞集束のための剛性の高いアスペクト比スパイラル マイクロチャネルの使用を実証します。

ラピッドプロトタイピング技術は、反復時間と初期費用を削減することで、マイクロ流体技術の初期段階の開発を加速します。 おそらく、マイクロ流体研究で最も広く使用されているラピッド プロトタイピング技術はソフト リソグラフィーです。これには通常、シリコン ウェーハ上の微細パターン化されたフォトレジスト フィルムの型からポリジメチルシロキサン (PDMS) エラストマー部品をパターン化することが含まれます。 比較的柔らかくて丈夫な PDMS パーツが硬いシリコン型から持ち上げられます。 3D プリンティングなどの代替のラピッド プロトタイピング方法と比較した場合のソフト リソグラフィーの主な利点は、シリコン ウェーハ上の薄膜フォトリソグラフィーによってもたらされる優れたフィーチャ解像度と、単一のウェーハ モールドから複数のエラストマー デバイスを迅速に製造できる能力に由来します。 。

ただし、PDMS の変形性は、中程度の圧力が必要でチャネルの形状が重要なマイクロ流体応用には不利です。 たとえば、これは慣性マイクロ流体現象の事実上すべての研究に当てはまり、一般に比較的長いマイクロチャネル (> 1 cm) 内で比較的高圧の流れ (P > 30 psi) が必要となります。 PDMS デバイスは、わずか 15 psi で変形し始め、約 40 ～ 60 psi2 の圧力で破裂する可能性があります。 したがって、大規模な製造プロセスではPDMSよりもはるかに剛性の高い熱可塑性プラスチックが圧倒的に使用されるため、PDMSの使用は、変形性が実験変動の実質的な原因となる可能性がある研究結果とトランスレーショナル開発の両方を危険にさらす可能性があります。 このような場合、射出成形やエンボス加工のための多額の工具費用を負担する前に、まず硬い材料でマイクロ流体設計を検証することが賢明です。

これらの考察は、いくつかのグループによるリジッド デバイス プロトタイピングの新しい技術の開発の動機となり、2011 年に系統的にレビューされました3。これらの取り組みは、中間 PDMS レプリカを使用したトランスファー モールディングによる、フォトリソグラフィーで定義されたパターンからのリジッド デバイスの製造を実証しました。 評価された材料の中で、2007 年に初めて記載された熱硬化性樹脂のレシピは、最も高い剛性と最良の接着性能 (少なくとも 150 psi) を示しました4。 その後、別の透明な熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂 EpoxAcast 690 を利用して、10,000 psi に近い動作圧力での非常に高い流量での粒子集束を測定しました。 この同じ材料は、優れた化学的不活性性とガス不透過性を有することも示されました7。 また、エポキシチップには、循環腫瘍細胞をサイズに基づいて約 80% の効率で全血から捕捉する能力があることも示されました8。 これらの研究に基づいて、エポキシガラスデバイスは、特徴の忠実度、剛性、および結合強度に関して、研究された他のすべてのラピッドプロトタイピング材料と同等または優れた特性を備えていると考えられます。 総合すると、3D プリンティングやパターン化されたラミネート フィルムなどの代替のラピッド プロトタイピング方法と比較して、フォトリソグラフィーでパターン化されたデバイスは、最も高いフィーチャー解像度と壁の平滑性を備えています9。 同様に、市販のエポキシはカスタム材料よりも研究者にとって利用しやすい10。