Prototypage rapide pour des performances élevées

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1232 (2023) Citer cet article

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La lithographie douce a permis le prototypage rapide de caractéristiques microfluidiques précises en modelant un élastomère déformable tel que le polydiméthylsiloxane (PDMS) avec un moule à motifs photolithographiques. Dans les applications microfluidiques où la flexibilité du PDMS est un inconvénient, une variété de matériaux plus rigides ont été proposés. Par rapport aux alternatives, les dispositifs fabriqués à partir d'époxy et de verre ont des performances mécaniques, une résolution caractéristique et une compatibilité avec les solvants supérieures. Nous fournissons ici une méthode détaillée étape par étape pour fabriquer des dispositifs microfluidiques rigides à partir d’époxy et de verre à motifs de lithographie douce. Le protocole de liaison a été optimisé pour produire des dispositifs résistant à des pressions supérieures à 500 psi. En utilisant cette méthode, nous démontrons l’utilisation de microcanaux en spirale rigides à rapport d’aspect élevé pour la focalisation cellulaire à haut débit.

Les techniques de prototypage rapide accélèrent le développement précoce des technologies microfluidiques en réduisant le temps d’itération et les coûts initiaux. La technique de prototypage rapide la plus largement utilisée pour la recherche en microfluidique est peut-être la lithographie douce, qui consiste généralement à modeler une pièce en élastomère polydiméthylsiloxane (PDMS) à partir d'un moule de film photorésistant à micro-motifs sur une plaquette de silicium1. La partie PDMS relativement souple et résistante est décollée du moule en silicone rigide. Les principaux avantages de la lithographie douce, par rapport aux méthodes alternatives de prototypage rapide telles que l'impression 3D, proviennent de l'excellente résolution caractéristique offerte par la photolithographie en couche mince sur des tranches de silicium, ainsi que de la capacité de produire rapidement plusieurs dispositifs en élastomère à partir d'un seul moule de tranche. .

Cependant, la déformabilité du PDMS est défavorable pour les applications microfluidiques impliquant des pressions modérées et où la géométrie des canaux est importante. C’est par exemple le cas de pratiquement toutes les études de phénomènes microfluidiques inertiels, qui impliquent généralement des flux à relativement haute pression (P > 30 psi) dans des microcanaux relativement longs (> 1 cm). Les dispositifs PDMS commencent à se déformer à partir de 15 psi seulement et peuvent se rompre à des pressions d'environ 40 à 60 psi2. Par conséquent, l’utilisation du PDMS peut compromettre à la fois les résultats de la recherche, où la déformabilité peut être une source importante de variabilité expérimentale, ainsi que le développement translationnel, puisque les processus de fabrication à grande échelle utilisent majoritairement des thermoplastiques qui sont beaucoup plus rigides que le PDMS. Dans ces cas-là, il serait prudent de valider d’abord les conceptions microfluidiques dans un matériau rigide avant de supporter les coûts d’outillage importants pour le moulage par injection ou le gaufrage.

Ces considérations ont motivé le développement de nouvelles techniques de prototypage de dispositifs rigides par plusieurs groupes, systématiquement examinées en 20113. Ces efforts ont démontré la fabrication de dispositifs rigides à partir d'un motif défini photolithographiquement par moulage par transfert à l'aide d'une réplique PDMS intermédiaire. Parmi les matériaux évalués, la recette thermodurcissable décrite pour la première fois en 2007 présentait la rigidité la plus élevée et les meilleures performances de liaison (au moins 150 psi)4. Plus tard, un autre thermodurcissable transparent, la résine époxy EpoxAcast 690, a été utilisé pour mesurer la focalisation des particules à des débits très élevés et à des pressions de fonctionnement approchant 10 000 psi5,6. Ce même matériau s’est également révélé doté d’une excellente inertie chimique et d’une excellente imperméabilité aux gaz7. Il a également été démontré qu’une puce époxy avait la capacité de capturer les cellules tumorales circulantes du sang total en fonction de leur taille avec une efficacité d’environ 80 %8. Sur la base de ces études, les dispositifs en verre époxy peuvent être considérés comme ayant des caractéristiques égales ou supérieures à tous les autres matériaux de prototypage rapide étudiés en ce qui concerne la fidélité des caractéristiques, la rigidité et la force de liaison. Dans l’ensemble, comparés aux méthodes alternatives de prototypage rapide telles que l’impression 3D ou les films stratifiés à motifs, les dispositifs à motifs photolithographiques ont la résolution caractéristique et la douceur des parois les plus élevées9. De même, les époxy disponibles dans le commerce sont plus accessibles aux chercheurs que les matériaux personnalisés10.