Mikrofabrykacja rusztowań w skali chipa do trójwymiarowej hodowli komórek

Witajcie, nazywam się Stefan Re i pracuję w Instytucie Interfejsów Biologicznych. W poniższym artykule zaprezentujemy proces wytwarzania mikrostrukturalnego rusztowania zwanego chipem, do którego przygotowania wykorzystujemy dwie różne metody. Jest to proces wytłaczania na gorąco połączony z określonymi procesami następczymi oraz proces mikroformowania termicznego, który został niedawno opracowany w tutejszym centrum badawczym o nazwie Squi. Znajdujemy się obecnie w namiocie typu clean room, a po prawej stronie widoczna jest typowa próżniowa maszyna do tłoczenia na gorąco, której używamy do produkcji mikrostrukturalnego chipa komórkowego. W pierwszej kolejności wprowadzamy formę mikrostrukturalną.

Jest on tutaj zamontowany w takiej płytce, a tutaj widać dwie formy. Forma ta została wykonana za pomocą mikroobróbki i jest wytworzona z mosiądzu. Teraz montuję formę mikrostrukturalną w urządzeniu.

W procesie formowania na gorąco wykorzystujemy płyty polimerowe, takie jak ta tutaj, a do produkcji chipu komórkowego zazwyczaj stosujemy poliwęglan lub PMA. Teraz wkładamy płytę polimerową do maszyny, centralnie w obszarze płyty, i zamykamy narzędzie. Po zamknięciu maszyny komora jest ewakuowana, następnie forma lub całe narzędzie jest nagrzewane do temperatury formowania, a rozgrzany polimer jest prasowany do formy z mikrostrukturą.

Następnie, po zakończeniu procedury formowania, cała forma zostaje schłodzona, a maszyna przeprowadza automatyczny proces usuwania próbki. To, co widzicie tutaj, to uformowany chip komórkowy z odlewnymi elementami – dwa chipy komórkowe oraz typowa warstwa pozostałości, która powstaje w wyniku procesu Hot and bussing. Po etapach Hot and bussing warstwa pozostałości na częściach musi zostać odchudzona, a ostatecznie całkowicie usunięta.

W tym przypadku elementy formy zostają przycięte, a następnie zamrożone na tej płytce montażowej. Po zamocowaniu frezujemy pozostałą warstwę do określonej grubości elementu, aby odsłonić siatkę mikrostruktury z tyłu. Podczas procesu frezowania ścianki mikropojemnika są stabilizowane przez zamrożoną wodę.

W końcowej fazie otrzymujemy dwa uformowane chipy komórkowe z wolnostojącymi siatkami pojemników MicroCon, które są otwarte z obu stron – u góry oraz u dołu, gdzie będziemy dokonywać łączenia. Następnie, po procesie frezowania, do tyłu tych otwartych macierzy pojemników MicroCon przytwierdzamy porowatą membranę. Do tylnej części otwartego chipa komórkowego przyklejamy perforowaną, dostępną w handlu membranę z poliwęglanu, aby uzyskać mikroporowate macierze pojemników.

W tym celu wstawiamy do komory cienkie polimerowe membrany z wyrytymi ścieżkami. Grubość membran mieści się w zakresie około 10 mikronów, a następnie na ich wierzchu umieszczamy chip komórkowy. Następnie zamykamy tę wnękę, a w pierwszym kroku komora zostaje odpompowana.

Następnie wstrzykujemy odparowany rozpuszczalnik, aby rozpuścić powierzchnię polimeru, a poprzez wywarcie nacisku na ten stos, membrana zostaje przytwierdzona do chipa komórkowego. W ostatnim kroku komora jest opróżniana, a następnie wyjmujemy gotowy chip komórkowy. Opracowaliśmy niedawno nową technikę wytwarzania chipów opartą na procesie termoformowania, która została dostosowana do mikroskali, dlatego nazwaliśmy ją mikrotermoformowaniem.

Do wytwarzania porowatej membrany wykorzystujemy folie polimerowe naświetlone przyspieszonymi ciężkimi jonami. Proces ten odbywa się we współpracy z ośrodkiem Unilog, gdzie ciężkie jony tworzą ślady potykowe w folii polimerowej, przenikając całkowicie przez warstwę polimeru. Podczas procesu termoformowania ślady te zostają zachowane, co prowadzi do powstania porów.

Następnie, po procesie formowania, trawione są te ścieżki w celu uzyskania porów o określonej wielkości. Po prawej stronie widać przystosowaną maszynę — urządzenie do wytłaczań na gorąco, przystosowane do tego procesu mikrotermicznego formowania.

Narzędzie składa się głównie z trzech części: płyty górnej i płyty dolnej. Posiadają one złącza do ciśnienia gazu i ewakuacji, a trzecią częścią jest element pełniący rolę pokrywy. W pierwszym kroku umieszczamy cienką błonę o grubości w zakresie od około 50 do 100 µm.

Następnie zamykamy narzędzie i przechodzimy do drugiego kroku. Komora utworzona przez te dwie płyty oraz górną ściankę zostaje odessana. Po ewakuacji powietrza folia polimerowa jest dociskana między tymi dwiema płytami, a następnie podgrzewamy ją do temperatury formowania. Formowanie.

Temperatura znajduje się tutaj w zakresie temperatury przejścia szklistego, co oznacza, że polimer nie jest stopiony, lecz znajduje się w stanie sprężystości białkowej lub w stanie sprężystości gumowej. W kolejnym kroku przykładamy ciśnienie gazu. Jako gaz wykorzystujemy azot, który powoduje rozciągnięcie gumopodobnej błony polimerowej do uprzednio ewakuowanych mikrootform.

Po tym etapie formowania całe narzędzie zostaje schłodzone, a następnie otwarte. Na koniec mikrostrukturalna pianka polimerowa jest wyjmowana z formy ręcznie. Zaletą tego nowego procesu jest możliwość znaczącego ograniczenia liczby etapów procesowych w porównaniu do standardowego procesu mikro-wtryskiwania lub procesu gorącego tłoczenia.

Po termoformowaniu ciężkich, prasowanych żelazkiem folii polimerowych, selektywnie trawimy ślady w celu uzyskania porów o zdefiniowanej wielkości. W tym celu wykorzystujemy prosty układ z szklanego naczynia; ślady są trawione wodorotlenkiem sodu, przy delikatnym mieszaniu i podgrzewaniu do temperatury około 60 °C. Procedura trawienia trwa od jednej do kilku godzin, w zależności od pożądanej wielkości porów.

Oto dwa gotowe produkty: chip komórkowy zgrzany i wyoblokowany z membraną mikroporowatą na tylnej ściance formowanego chipu komórkowego oraz w mojej lewej ręce termoformowany, cienkościenny, elastyczny chip komórkowy. Przed użyciem w hodowlach komórkowych zostają one oczyszczone i wysterylizowane poprzez naświetlanie gamma.