Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

שלום, שמי סטפן רה. אני עובד במכון לממשקים ביולוגיים ובמאמר הבא תראו את תהליך הייצור של פיגום בעל מבנה מיקרוסקופי הנקרא שבב, ואנו משתמשים בשתי שיטות שונות לייצור השבבים הללו. כעת, תהליך הטבעה חם המשולב עם תהליכים עוקבים מסוימים, ותהליך עיצוב מיקרו-תרמי שפותח לאחרונה כאן במרכז המחקר הנקרא Squi. כעת אנו נמצאים באוהל חדר נקי ומה שניתן לראות כאן בצד ימין היא מכונת הטבעה חמה בוואקום טיפוסית, ואנו משתמשים בציוד זה לייצור שבב תאים בעל מבנה מיקרוסקופי. ראשית, אנו מציגים תבנית בעלת מבנה מיקרוסקופי.

זה מורכב כאן בתוך פלטה כזו, וניתן לראות כאן שתי תבניות. תבנית זו יוצרה באמצעות עיבוד שבבי מיקרוסקופי והיא עשויה מנחושת. כעת אני מרכיב את תבנית המבנה המיקרוסקופי לתוך המכונה.

תהליך ה-hotboxing מבוצע באמצעות לוחות פולימר כגון זה, ובדרך כלל אנו משתמשים בפוליקרבונט או ב-PMA לייצור שבב התא. כעת אנו מכניסים את לוח הפולימר למכונה, למרכז הלוח, וסוגרים את הכלי. לאחר סגירת המכונה, התא מרוקן מאוויר, ולאחר מכן התבנית, או הכלי כולו, מחוממים עד לטמפרטורת העיצוב, ואז הפולימר החם נדחס לתוך התבנית בעלת המבנה המיקרוסקופי.

לאחר הליך עיצוב זה, כל התבנית מקוררת וישנו תהליך דה-מולדינג (demoing) אוטומטי בתוך המכונה. מה שניתן לראות כאן הוא שבב תאים מעוצב כזה עם החלקים המעוצבים, שני שבבי תאים ושכבה שיורית טיפוסית, הנובעת מתהליך ה-Hot and bussing. לאחר שלבי ה-hot and busing, יש לדקק את השכבה השיורית של החלקים ובסוף להסירה לחלוטין.

לצורך כך, חלקי התבנית נגזמים ולאחר מכן קופאים על לוחית קיבוע זו. לאחר הקיבוע, אנו מקרצמים את השכבה השארית עד לעובי מסוים של החלק, כך שסריג המיקרו-מבנה ייפתח בגב. במהלך תהליך הקירצום, דפנות המיקרו-מכלים מיוצבו על ידי מים קפואים.

לבסוף, אנו מקבלים שני שבבי תאים מודפסים עם רשתות עצמאיות של מיכלי MicroCon הפתוחים משני הצדדים למעלה, ובחלק התחתון אנו מבצעים הדבקה. לאחר תהליך הכרסום, אנו מדביקים ממбраנה נקבובית לגב מערכי מיכלי ה-MicroCon הפתוחים הללו. אנו מדביקים ממברנת פוליקרבונט מחוררת הזמינה מסחרית לגב שבב התאים הפתוח כדי לקבל מערכי מיכלים מיקרו-נקבוביים.

לשם כך, אנו מכניסים ממברנות דקות של פולימר עם מסלולי קצה למסעה זו. עובי הממברנות נע בטווח של כ-10 microns, ולאחר מכן אנו מניחים את שבב התאים על גבי ממברנות אלו. לאחר מכן אנו סוגרים חלל זה, ובשלב הראשון התא מרוקן מאוויר.

לאחר מכן אנו מזריקים ממס מאודף כדי להמיס את פני השטח של הפולימר, ועל ידי הפעלת כוח על המערכת זו, ממברנה נקשרת לשבב התא. בשלב הסופי, התא האטום מרוקן ואנו מוציאים את שבב התא המוגמר. לאחרונה פיתחנו טכניקת ייצור חדשה עבור השבב המבוססת על תהליך תרמוforming, והיא הותאמה למיקרו-קנה מידה, ולכן כינינו אותה מיקרו-תרמוforming.

עבור ייצור של מסננת נקבובית, אנו משתמשים בדפי פולימר שהוקרנו ביונים כבדים מואצים. פעולה זו מתבצעת בשיתוף פעולה עם המקרה ב-Unilog, ויונים כבדים אלו יוצרים עקבות קוויות בסרט הפולימר על ידי חדירה מלאה דרך סרט הפולימר. ובמהלך תהליך התכווצות תרמית (thermoforming), עקבות קוויות אלו נשמרות כדי להפיק נקבים אלו.

לאחר מכן, בתהליך העיצוב, חוררים את המסלולים הלטיניים ליצירת נקבים בגודל מוגדר. כאן ניתן לראות בצד ימין את המכונה המותאמת. מכונה להטבעה חמה (hot embossing) שהותאמה לתהליך העיצוב המיקרו-תרמי הזה.

הכלי מורכב בעיקר משלושה חלקים: פלטה עליונה ופלטה תחתונה. הן כוללות מחברים ללחץ גז ולריק, וחלק שלישי המהווה מעין תקרה. בשלב הראשון, אנו מכניסים סרט דק בטווח עובי של כ-50 עד 100 מיקרונים.

לאחר מכן אנו סוגרים את המכשיר ועוברים לשלב השני. התא המוקף על ידי שני הלוחות הללו והתקרה עובר ריקוע. לאחר הריקוע, סרט הפולימר נלחץ בין שני הלוחות ואנו מחממים אותו עד לטמפרטורת העיצוב. עיצוב.

הטמפרטורה כאן היא בטווח של טמפרטורת מעבר הזכוכית, מה שאומר שהפולימר אינו מותך, אלא נמצא במצב של אלסטיות זכוכיתית או במצב של אלסטיות גומית. בשלב הבא, אנו מפעילים לחץ גז. כאן אנו משתמשים בחנקן כגז, ובאמצעות גז זה, סרט הפולימר באלסטיות גומית נמתח אל תוך המיקרו-תבניות שסוללו קודם לכן.

לאחר שלב עיצוב זה, הכלי כולו מקורר ולאחר מכן נפתח. לבסוף, קצף הפולימר בעל המבנה המיקרוסקופי מחוץ מהתבנית באופן ידני. יתרונה של תהליכיה חדשה זו הוא שניתן להפחית באופן משמעותי את מספר שלבי התהליך בהשוואה לתהליך הזרקת מיקרו סטנדרטי או לתהליך הטבעה חמה (Hot embossing).

לאחר עיצוב תרמי של סרטי הפולימר המגהוצים, אנו תוקעים באופן סלקטיבי את העקבות הלטיניות לנקבים בגודל מוגדר. לשם כך, אנו משתמשים במערכת פשוטה של כלי זכוכית, כאשר העקבות הלטיניות נחרתות באמצעות נתרן הידרוקסיד, תחת ערבוב עדין וחימום לטמפרטורה של כ-60 מעלות. הליך החריטה נמשך בין שעה אחת למספר שעות כדי להגיע לנקבים בגודל שונה.

כעת יש לנו את שני המוצרים המוגמרים: שבב התאים החם והמועבר, עם ממбраסת המיקרופורים בגב שבב התאים המעוצב. וכאן בידי השמאלית, שבב התאים הגמיש בעל הדפנות הדקות שיוצר בתהליך תרמופורמינג. לפני השימוש בהם בתרבית תאים, הם מנוקים ומעוקרים באמצעות הקרנת גמא.