입체 세포 배양을위한 칩 크기의 공사장 공중 발판의 Microfabrication

안녕하세요, 제 이름은 Stefan Re입니다. 저는 생물학적 인터페이스 연구소(Institute of Biological Interfaces)에서 근무하고 있으며, 다음 기사에서는 칩이라 불리는 미세 구조 스캐폴드의 제작 과정을 살펴보겠습니다. 저희는 이 칩을 생산하기 위해 두 가지 서로 다른 방법을 사용하고 있습니다. 현재는 특정 후속 공정이 결합된 열 압착(hot embossing) 공정과, 최근 이곳 Squi 연구 센터에서 개발한 미세 열 성형(microthermal forming) 공정을 사용하고 있습니다. 현재 저희는 클린룸 텐트 안에 있으며, 오른쪽에 보이는 장비는 전형적인 진공 열 압착기입니다. 저희는 미세 구조 세포 칩을 제작하기 위해 이 장비를 사용합니다. 먼저, 미세 구조 몰드를 도입하겠습니다.

이것은 여기와 같은 플레이트에 장착되어 있으며, 여기서 두 개의 몰드를 볼 수 있습니다. 이 몰드는 마이크로 가공으로 제작되었으며 브라스(brass) 재질로 만들어졌습니다. 이제 마이크로 구조 몰드를 장비에 장착하겠습니다.

핫박싱(hotboxing) 공정을 위해 여기 보이는 것과 같은 폴리머 플레이트를 사용하며, 일반적으로 셀 칩 제작에는 폴리카보네이트 또는 PMA를 사용합니다. 이제 폴리머 플레이트를 장비의 플레이트 중앙에 삽입하고 툴을 닫습니다. 장비를 닫은 후 챔버 내부를 진공 상태로 만들고, 전체 툴을 성형 온도까지 가열합니다. 그런 다음 가열된 폴리머를 미세 구조가 있는 몰드에 압착합니다.

그 후 이 성형 과정을 거쳐 몰드 전체를 냉각시키면, 기기 내에서 자동 탈형 공정이 진행됩니다. 여기서 보시는 것은 성형된 부품들이 포함된 성형된 셀 칩으로, 두 개의 셀 칩과 핫 엠보싱(Hot embossing) 공정으로 인해 발생하는 전형적인 잔여층이 있습니다. 핫 엠보싱 단계 이후에는 부품의 잔여층을 얇게 깎아내어 최종적으로 완전히 제거해야 합니다.

이를 위해 몰드 부품들을 트리밍한 후, 이 마운팅 플레이트 위에 고정하여 냉동시킵니다. 마운팅 후에는 부품의 잔류층을 특정 두께까지 밀링하여 배면의 미세구조 그리드가 노출되도록 합니다. 밀링 과정 동안 마이크로 컨테이너 벽면은 냉동된 물에 의해 안정화됩니다.

마지막으로, 상단 양측이 개방된 MicroCon 컨테이너의 자립형 그리드가 형성된 두 개의 성형된 셀 칩을 얻으며, 하단부는 본딩 과정을 거치게 됩니다. 밀링 공정 후, 이러한 개방형 MicroCon 컨테이너 어레이의 후면에 다공성 막을 부착합니다. 상용으로 판매되는 타공된 폴리카보네이트 막을 개방형 셀 칩의 후면에 본딩하여 미세 다공성 컨테이너 어레이를 제작합니다.

이를 위해, 이 챔버에 얇은 폴리머 트랙 엣지 막을 삽입합니다. 막의 두께 범위는 약 10 microns이며, 이 막들 위에 셀 칩을 배치합니다. 그다음 이 공동을 닫고, 첫 번째 단계에서 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다.

그 다음 기화된 용매를 주입하여 폴리머 표면을 용해시키고, 이 적층 구조에 힘을 가함으로써 멤브레인을 셀 칩에 접합합니다. 마지막 단계로 챔버의 압력을 낮춘 후 완성된 셀 칩을 꺼냅니다. 최근 저희는 열성형 공정을 기반으로 한 새로운 셀 칩 제작 기술을 개발하였으며, 이를 마이크로 스케일에 적용하여 마이크로 열성형이라고 명명하였습니다.

다공성 시트를 제작하기 위해, 가속 중이온으로 조사된 폴리필름을 사용합니다. 이는 Unilog의 사례와 협력하여 수행되며, 중이온이 폴리머 필름을 완전히 관통함으로써 폴리필름 내에 잠재 트랙(latent tracks)을 생성합니다. 그리고 열성형 과정 동안 이러한 잠재 트랙이 유지되어 기공을 형성하게 됩니다.

그 다음, 에칭된 라틴 트랙을 정의된 크기의 기공으로 만드는 성형 과정을 거칩니다. 여기 오른쪽에서 개조된 장비를 보실 수 있습니다. 이 마이크로 열 성형 공정을 위해 개조된 핫 엠보싱 장비입니다.

이 도구는 주로 상판과 하판의 세 부분으로 구성됩니다. 여기에는 가스 압력 및 진공 배기를 위한 커넥터가 있으며, 천장과 같은 세 번째 부분이 있습니다. 첫 번째 단계에서는 두께가 약 50에서 100 µm 범위인 얇은 형태의 필름을 넣습니다.

그 다음 도구를 닫고 두 번째 단계로 넘어갑니다. 이 두 플레이트와 천장에 의해 형성된 챔버 내부를 진공 상태로 만듭니다. 진공 상태가 되면 폴리머 필름을 두 플레이트 사이에 압착하고, 성형 온도까지 가열합니다. 성형 단계입니다.

이곳의 온도는 유리 전이 온도 범위에 있으며, 이는 폴리머가 용융된 상태는 아니지만 고무 탄성 상태에 있음을 의미합니다. 다음 단계에서는 가스 압력을 가합니다. 여기서는 가스로 질소를 사용하며, 이 가스에 의해 고무 탄성 폴리머 필름이 이전에 진공 상태로 만든 마이크로 몰드 내부로 확장됩니다.

이 성형 단계 후, 툴 전체를 냉각시키고 툴을 엽니다. 마지막으로, 마이크로 구조 폴리머 폼을 수동으로 탈형합니다. 이 새로운 공정의 장점은 표준 마이크로 사출 성형 공정이나 핫 엠보싱 공정에 비해 공정 단계 수를 획기적으로 줄일 수 있다는 점입니다.

중합체 필름의 열성형 후, 정의된 크기의 기공이 형성되도록 라틴 트랙을 선택적으로 식각합니다. 이를 위해 간단한 글라스 비커 장치를 사용하며, 수산화나트륨으로 라틴 트랙을 식각하는 동안 부드럽게 교반하고 약 60 °C까지 가열합니다. 식각 과정은 약 1시간에서 수 시간 동안 지속되며, 이를 통해 서로 다른 기공 크기를 가진 기공을 얻을 수 있습니다.

이제 여기 두 가지 완성된 제품이 있습니다. 성형된 셀 칩 뒷면에 마이크로포어 막이 부착된 열성형 셀 칩과, 제 왼손에 들려 있는 열성형된 박벽 유연 셀 칩입니다. 세포 배양에 사용하기 전, 이들은 감마선 조사를 통해 세척 및 멸균 과정을 거칩니다.