저자는 그랜트 번호에서 국립 과학 재단의 지원에 감사드립니다. CMMI-00748094 및 ONR N000141110629.

프로토콜 텍스트는 세 가지 주요 섹션으로 나뉩니다: 1) PDMS (폴리디메틸실록산) 기둥의 제조, 2) 기둥의 상단의 기능화, 및 3) 모세 혈관 교량의 형성 및 특성.
1. PDMS 기둥의 제작
이 섹션에서는 실리콘/SU-8 금형을 사용한 다이 주조를 사용하여 PDMS 기둥의 제조를 자세히 설명합니다.
<ol><li>
실리콘/SU-8 금형 의 제조
	<ol>
<li>깨끗한 4를 파이렉스 페트리 접시에 실리콘 웨이퍼에 담아 놓습니다.</li>
		<li>과산화수소(피라냐) 용액에 4:1(부피) 황산을 별도의 비커로 준비한다. 참고: 피라냐 용액의 준비 와 사용에는 극도의 주의가 필요합니다. 반응은 매우 외설적이고 절연 장갑은 비커를 처리해야합니다. 피라냐는 유기물로 격렬하게 반응한다. 폐기하기 전에 피라냐 용액을 실온으로 식히게 하십시오. 웨이퍼를 접시에 담는 데 필요한 충분한 용액만 준비합니다.</li>
		<li>피라냐 용액을 실리콘 웨이퍼에 천천히 붓고 완전히 물에 잠기면 됩니다. 15분 동안 앉자.</li>
		<li>페트리 접시에서 웨이퍼를 제거하고 2 분 동안 deionized (DI) 물, 30 초 동안 에탄올, 30 초 동안 아세톤, 질소로 건조 를 날려 버리십시오. 참고: 아세톤의 잔류물이 문제가 되는 경우 IPA를 추가로 헹도 좋습니다.</li>
		<li>150°C에서 15분 동안 핫 플레이트에서 웨이퍼를 건조시다.</li>
		<li>뜨거운 접시에서 제거하고 실온으로 식힙니다.</li>
		<li>스핀 코트 SU-8 2002는 웨이퍼 표면에 500 rpm에서 40 초 동안.</li>
		<li>스핀 코트 SU-8 2050은 2단계 스핀 코터 프로그램으로 웨이퍼에 장착되었습니다. 1단계: 500rpm에서 40초. 2단계: 1,500rpm에서 1분.</li>
		<li>스핀 코터에서 웨이퍼를 제거하고 예열된 핫플레이트(65°C)에 10분 간 배치합니다.</li>
		<li>실온으로 식힌 다음 마스크를 웨이퍼 위에 놓습니다.</li>
		<li>자외선 램프 아래에 놓고 200 와트에서 30 초 동안 노출하십시오.</li>
		<li>마스크를 제거하고 10 분 동안 예열 된 핫 플레이트 (95 °C)에 웨이퍼를 놓습니다.</li>
		<li>SU-8 개발자 솔루션에 배치하고 노출되지 않은 모든 SU-8이 제거될 때까지 가볍게 동요합니다. 그런 다음 30 초 동안 이소 프로필 알코올의 스트림에 헹구고 질소로 건조시하십시오.</li>
		<li>예열된 핫플레이트(95°C)에 30분간 놓아 최종 하드베이크를 만듭니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
PDMS 기둥의 다이 주조
	<ol>
<li>PDMS 실가드-184 베이스의 10:1 질량 비율을 비커에서 경화시키는 데 적극적으로 섞는다.</li>
		<li>모든 거품이 사라질 때까지 진공 챔버에서 DEGAS PDMS.</li>
		<li>플라스틱 계량 접시에 큰 4에 섹션 1.1에 제작된 금형을 놓고 PDMS를 붓습니다.</li>
		<li>PDMS로 접시를 놓고 다시 진공 챔버에 성형하십시오. 모든 거품이 사라질 때까지 다시 드가.</li>
		<li>오븐에 전체 접시를 놓습니다 (75 °C로 예열) 적어도 2 시간 동안. 그런 다음 실온으로 식힙니다.</li>
		<li>PDMS에서 접시를 잘라, 직선 면도날실리콘 웨이퍼에서 PDMS.</li>
		<li>부크의 기둥으로 PDMS 영역을 잘라 깨끗한 페트리 접시에 보관하십시오.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 기둥 의 꼭대기의 기능화
이 3단계 공정은 먼저 실리콘 웨이퍼에서 금막의 증발을 포함하고, PDMS 기둥에 금막16의 인쇄물 전송 리소그래피 (16)를 포함하고, 마지막으로 자기 조립 된 단층이있는 금필름의 기능화는 수성 성수화한다.
<ol><li>프린트 전송 리소그래피를 위한 실리콘 웨이퍼에 금 제조 
	<ol>
<li>유리 커터를 사용하여 원형 실리콘 웨이퍼4를 4개의 크기로 주사위로 넣습니다. 참고: 웨이퍼는 1.1.2-1.1.4 단계를 사용하여 세척하고 재사용할 수 있습니다.</li>
		<li>실리콘 웨이퍼에 직접 금 20 nm를 증발.</li>
		<li>아래 섹션 3이 완료될 때까지 웨이퍼를 증발 챔버(또는 건조기)에 둡니다. 이것은 웨이퍼를 가능한 한 깨끗하게 유지합니다.</li>
		<li>8 μl:20 ml, (3-mercaptopropyl)-트리메톡시실레인(MPTS) : 톨루엔 용액을 깨끗한 유리 바이알에 준비한다.</li>
		<li>깨끗한 비커에 16m 염산(HCl)의 200ml를 준비합니다.</li>
		<li>플라즈마 반응기에 금필름으로 웨이퍼를 넣습니다.</li>
		<li>300 mTorr의 압력에서 산소 플라즈마를 사용하여 웨이퍼를 청소하고, 10 분 동안 50 W의 전력. 참고: 이 절차의 경우 집에서 제작한 플라즈마 반응기가 사용되었습니다.</li>
		<li>웨이퍼를 파이렉스 페트리 접시에 넣고 200개의 증거 에탄올로 10분 이상 넣습니다. 참고: 이 단계는 산소 플라즈마로 인해 금에 형성되는 불안정한 산화물을 제거하기 위해 수행됩니다.</li>
		<li>웨이퍼를 에탄올로 헹구고 질소로 건조시라.</li>
		<li>30초 동안 500rpm의 웨이퍼에 MPTS 솔루션을 스핀 코팅한 다음 1분 동안 2,750rpm이 됩니다. 주: MPTS는 PDMS와 골드레이어(16)사이의 접착층으로 사용됩니다.</li>
		<li>스핀 코터에서 웨이퍼를 꺼내 에탄올 스트림 아래에서 헹구세요. 그런 다음 DI 물로 헹구고 질소로 건조시하십시오. 참고: 실리콘 웨이퍼에서 금층의 박리방지를 위해 부드럽게 헹구십시오.</li>
		<li>웨이퍼를 웨이퍼에 완전히 담을 수 있는 16m HCl 솔루션이 포함된 파이렉스 페트리 접시에 웨이퍼를 넣습니다. HCl에서 최소 5분 이상 둡니다. 참고: 골드가 벗겨지는 것을 방지하기 위해 부드럽게 용액에 넣습니다. 참고: 이것은 PDMS와 금층(16)사이의 접착력을 개선하기 위해 수행됩니다.</li>
		<li>HCl 용액에서 웨이퍼를 제거하고 질소로 건조시 라우십시오. 참고: 웨이퍼는 이 단계가 완료된 후 15-20분 이상 사용되어야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>웨이퍼에서 PDMS 기둥으로 금의 인쇄물 전송 리소그래피
	<ol>
<li>에탄올, DI 워터로 헹구고 질소로 건조하여 각 PDMS 샘플에 대해 25mm x 75mm 유리 슬라이드 하나를 준비합니다.</li>
		<li>PDMS 기둥을 플라즈마 챔버에 넣고 300 mTorr의 압력과 30 초 동안 50 W의 전력으로 산소 플라즈마를 수행합니다. 참고: 산소 플라즈마에 PDMS의 과다 노출은 균열을 일으킬 것입니다. 플라즈마 조건을 적절히 조정합니다.</li>
		<li>PDMS 기판의 뒷면을 가벼운 압력을 가하여 깨끗한 유리 슬라이드에 묶습니다. 유리 슬라이드는 3단계에서 설명된 장치에 PDMS 기둥의 조작및 장착을 용이하게 합니다.</li>
		<li>유리로 뒷받침되는 PDMS 기판을 뒤집어 기둥을 MPTS 기능성 골드 필름(2.1단계)으로 누릅니다. 처음에 적당한 압력을 적용한 다음 유리 슬라이드에 무게(약 100g)를 넣어 상체접촉을 보장합니다.</li>
		<li>기판을 실리콘 웨이퍼와 접촉하여 최소 12시간 동안 둡니다.</li>
		<li>PDMS 기판을 웨이퍼에서 분리합니다. PDMS 기판이 붙어 있는 경우 직선 면도날을 사용하여 웨이퍼에서 PDMS의 가장자리를 조심스럽게 캐고 있습니다.</li>
		<li>이 시점에서 균일 한 금 필름PDMS 기둥의 상단에 있어야합니다. 광학 현미경을 사용하여 금막이 금이 가지 않거나 기둥을 따라 누락된 부품이 없는지 확인합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>PDMS 기둥 상단에 있는 금의 기능화
	<ol>
<li>디메틸 설산화물(DMSO)에 충분한 1mm 메르카포헥사데카노산(MHA)을 준비하여 PDMS 기둥 위에 금을 완전히 담급니다. 참고: DMSO는 낮은 PDMS 팽창계수(17)에사용됩니다.</li>
		<li>PDMS 기판을 MHA 솔루션에 배치하고 최소 24시간 동안 보관하십시오.</li>
		<li>MHA 용액에서 기판을 제거하고 DI 물로 헹구고 질소로 건조시하십시오.</li>
		<li>진공 챔버 (압력 < 25 °C에서 100 mTorr)에 적어도 12 시간 동안 놓습니다.</li>
	</ol></li>
</ol>참고: 기능화 공정이 성공적이었는지 확인하기 위해 2단계는 PDMS의 벌크 조각(기둥 제외)에서 수행될 수 있으며 습윤 각도는 곤니미터에서 테스트할 수 있습니다. MHA 금 필름은 각각 <15°및 ~0°의 물 접진 각도를 진행하고 후퇴해야 합니다. 18
3. 모세관 교량의 형성과 특성화
이 섹션에서는 두 기판 사이에 액체 다리를 도입한 다음 다른 높이와 유체 볼륨에서 이미징을 통한 특성화를 어떻게 소개할 수 있는지 자세히 설명합니다.
<ol><li>두 개의 기둥 기판을 사용하여 (1-2 단계로 만든), 상단과 하단 홀더에 하나 배치. 측면 장력 나사를 사용하여 기판을 보호합니다. 참고: 장치 세부 정보에 대한 그림 1 및 대표 결과를 참조하십시오.</li>
	<li>상단 기판이 대략 아래기판 위에 있도록 상단 기판 스테이지를 빵 보드에 부착하여 장치를 조립한다. 두 개의 향연 사이의 높이를 약 1mm로 줄입니다.</li>
	<li>거친 정렬: 아래쪽 기판 스테이지의 x, y 및 회전 노브를 사용하여 두 기판에 대한 골드 스트립을 정렬(눈으로) 평행하게 합니다(상단 기판을 통해 하향식).</li>
	<li>미세 정렬: 카메라를 배치하여 PDMS 기둥의 길이를 내려다보세요. 컴퓨터 화면에서 라이브 카메라 피드를 사용하여 아래쪽 기판의 위치를 더욱 조정하여 기둥이 평행합니다.</li>
	<li>카메라를 장치의 반대편으로 이동하고 3.4 단계를 반복합니다.</li>
	<li>상단 기둥이 아래쪽 기둥과 접촉할 때까지 두 기둥 사이의 분리를 줄입니다(라이브 카메라 피드 사용). 디지털 마이크로 스테이지0. 이것은 0의 기공 높이로 정의됩니다.</li>
	<li>공공 높이를 약 200 μm로 늘립니다.</li>
	<li>80% 글리세롤, 20% 물 용액의 1-5 μl로 주사기를 준비합니다. 주사기 끝에 30G 바늘을 부착하여 기포가 바늘 안에 갇히지 않도록 합니다. 참고: 물/글리세롤 혼합물은 실험 중에 증발을 줄이는 데 사용됩니다. 물을 사용할 수도 있습니다.</li>
	<li>주사기를 기계식 클램프로 주사기 xyz 번역 단계에 장착합니다.</li>
	<li>주사기 포지셔닝 스테이지의 마이크로미터를 조정하여 바늘이 슬릿 모공(기둥의 길이와 평행)에 맞도록 합니다.</li>
	<li>슬릿 모공 높이를 줄이면 상단표면과 아래쪽 표면이 바늘에 부드럽게 닿을 수 있습니다. 이것은 액체가 두 표면에 닿고 자발적으로 모세관 다리를 형성할 수 있도록 합니다.</li>
	<li>주사기에서 액체를 슬릿 모공에 천천히 분배합니다.</li>
	<li>주사기 포지셔닝 스테이지의 마이크로미터를 사용하여 슬릿 모공에서 바늘을 제거합니다. 참고: 이 시점에서 슬릿 모공의 높이가 다양하고 액동브리지를 이미지화할 수 있습니다. 참고: 사진은 오픈 소스 소프트웨어 패키지 ImageJ로 분석할 수 있습니다.</li>
</ol>

<ol>
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여기에 제시된 방법은 슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만드는 방법, 또한 그들의 형태가 시뮬레이션 및 이론에 비교될 수 있도록 이 다리를 이미징하는 방법을 제공합니다.
이 방법은 물리적 완화뿐만 아니라 선택적 화학 적 패터닝을 통합하여 비대칭 습윤 특성을 만듭니다. 화학 이질성만 존재하는 경우, 접촉 각도가 덜 습식(낮은 표면 에너지) 영역의 것을 초과할 ...

모세관 교량에 의한 형상 및 결과력에 대한 연구는 광범위한 연구의 대상이 되어왔다 2-7. 처음에는 축축모 교량에 단순함으로 인해 대부분의 노력이 집중되었습니다. 종종 과립 및 다공성 매체8,9에서 발견되는 것과 같은 자연 시스템에서 발생하는 모세관 교량과 플립 칩 기술의 모세관 자체 조립과 같은 기술 응용 분야에서 사용되는교량(10-15)은 상호 작용하는 표면의 부균일한 습윤 특성과 비대칭입니다. 유체 인터페이스를 모델링하는 간단한 숫자 도구의 접근성과 함께 개선된 리소그래피 기술의 조합은 복잡성이 증가하는 모세관 교량의 생성 및 모델링을 가능하게 합니다.
슬릿 모공 형상의 모세관 교량은 흥미로운 타협을 제공합니다 : 방향 습윤 특성은 일부 대칭 평면을 유지하는 비축경 교교로 이어져 (분석을 단순화). 그(것)들은 다공성 매체를 위한 사례 연구 결과로 이론적으로 그리고 수치적으로 공부되었습니다. 그러나 슬릿 모공 기하학에서 모세관 교량에 대한 체계적인 실험 연구가 제한되어 있다. 여기서 우리는 슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 특성화하는 방법을 제시합니다. 간단히, 상기 방법은 1) 화학적 및 물리적 이질성을 만들기 위한 기둥의 제조, 2) 교량을 정렬및 조작하는 마이크로스테이지의 설계, 그리고 3) 모세관 교량의 이미징을 전면 또는 측면에서 형성하여 형태를 특성화하는 것으로 구성된다. 교량 형태의 특성화와 표면 진화 시뮬레이션에 대한 비교는 별도의발행물 1에제공됩니다.

<table><tbody><tr><td>99.999% Gold wire</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EVMAU40040</td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Pharmco-AAPER</td><td>C1107283</td><td></td></tr><tr><td>Dimethyl sulfoxide</td><td>Fisher</td><td>D128-500</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol (200 proof)</td><td>Pharmco-AAPER</td><td>111000200</td><td></td></tr><tr><td>Hydrochloric acid</td><td>EMD</td><td>HX0603-4</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen peroxide (30%)</td><td>EMD</td><td>HX0635-3</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol</td><td>Fisher</td><td>L-13597</td><td></td></tr><tr><td>Mercapto hexadecanoic acid (90%)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>448303-1G</td><td></td></tr><tr><td>Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS)</td><td>Gelest</td><td>Sim6476-O-100GM</td><td></td></tr><tr><td>Milli-Q DI water</td><td>Millipore</td><td>Milli-Q</td><td></td></tr><tr><td>Nitrogen (gas)</td><td>Airgas</td><td>UN1066</td><td></td></tr><tr><td>Oxygen (gas)</td><td>Airgas</td><td>UN1072</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafers (4 in)</td><td>WRS Materials</td><td>CC8506</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2002 (negative photo resist)</td><td>MicroChem</td><td>SU82002</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2050 (negative photoresist)</td><td>MicroChem</td><td>SU82050</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer solution</td><td>MicroChem</td><td>Y020100 4000L1PE</td><td></td></tr><tr><td>Sulfuric acid</td><td>J.T. Baker</td><td>9681-03</td><td></td></tr><tr><td>Poly dimethy sulfoxide (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard -184</td><td></td></tr><tr><td>Toluene</td><td>Omnisolv</td><td>TX0737-1</td><td> &lt;p&gt;&lt;/p&gt; </td></tr></tbody></table>

fabrication and visualization of capillary bridges in slit pore geometry

슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 이미징하는 절차가 제시됩니다. 높은 종횡비 소수성 기둥은 제조되고 기능화되어 상단 표면을 친성성으로 만듭니다. 물리적 특징(기둥)과 화학적 경계(기둥 상단의 친수성 필름)의 조합은 3중 접점을 핀하는 물리적 및 화학적 이질성을 모두 제공하며, 안정적이지만 좁은 모세관 다리를 만드는 데 필요한 특징이다. 기둥이 있는 기판은 유리 슬라이드에 부착되어 사용자 지정 홀더에 고정됩니다. 그런 다음 홀더는 4축 마이크로스테이지에 장착되고 기둥이 평행하고 서로 마주보고 있도록 배치됩니다. 모세관 교량은 두 기판 사이의 간격에 유체를 도입하여 형성되며, 일단 표면 기둥 사이의 분리가 수백 마이크로미터로 감소되었다. 그런 다음 사용자 지정 마이크로 스테이지는 모세관 다리의 높이를 변경하도록 고용됩니다. CCD 카메라는 유체 인터페이스의 형태를 특성화하기 위해 모세관 브리지의 길이 또는 너비를 이미지화하도록 배치됩니다. 폭이 250 μm까지, 최대 70mm길이의 기둥은 이 방법으로 제작되어 1001이상이면 종횡비(길이/폭)가 있는모세관 교량으로 이어졌다.

실험 장치에 대한 설명
실험 장치는 4개의 주요 부분으로 나눌 수 있습니다: 1) 상단 기판 단계, 2) 하단 기판 단계, 3) 주사기/주사기 xyz-번역 단계 및 4) 카메라/광학 및 카메라 홀더. 각 세부 사항은 다음과 같습니다.
<ol><li>
최고 기판 단계. 디지털 번역 스테이지는 맞춤형 가공 커넥터 조각을 통해 P 시리즈 장착 클램프에 연결됩니다. 마운팅 클램프는 P 시리즈 클?...

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Fabrication and Visualization of Capillary Bridges in Slit Pore Geometry

슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 이미징하는 절차가 제시됩니다. 모세관 교량의 생성은 유체를 고정하는 방향 물리적 및 화학 적 이질성을 제공하기 위해 기둥의 형성에 의존한다. 모세관 교량은 마이크로 스테이지를 사용하여 형성되고 조작되고 CCD 카메라를 사용하여 시각화됩니다.

슬릿 모공 기하학에서 모세관 다리의 제작 및 시각화

A procedure for creating and imaging capillary bridges in slit-pore geometry is presented. High aspect ratio hydrophobic pillars are fabricated and ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

6.4K 조회수.  Johns Hopkins University. 슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 이미징하는 절차가 제시됩니다. 모세관 교량의 생성은 유체를 고정하는 방향 물리적 및 화학 적 이질성을 제공하기 위해 기둥의 형성에 의존한다. 모세관 교량은 마이크로 스테이지를 사용하여 형성되고 조작되고 CCD 카메라를 사용하여 시각화됩니다.

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Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

This paper discusses fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic analysis setup. These structures are based on the formation of a fluorescent quantum-dot (QD) coating on the channel surface of a conventional microcapillary. Silicon QDs are especially attractive for this application, owing in part to their negligible toxicity compared to the II-VI and II-VI compound QDs, which are legislatively controlled substances in many countries. While the ensemble emission spectrum is broad and featureless, an Si-QD film on the channel wall of a capillary features a set of sharp, narrow peaks in the fluorescence spectrum, corresponding to the electromagnetic resonances for light trapped within the film. The peak wavelength of these resonances is sensitive to the external medium, thus permitting the device to function as a refractometric sensor in which the QDs never come into physical contact with the analyte. The experimental methods associated with the fabrication of the fluorescent-core microcapillaries are discussed in detail, as well as the analysis methods. Finally, a comparison is made between these structures and the more widely investigated liquid-core optical ring resonators, in terms of microfluidic sensing capabilities.

Fluorescent-core microcavity sensors employ a high-index quantum-dot coating in the channel of silica microcapillaries. Changes in the refractive index of fluids pumped into the capillary channel cause shifts in the microcavity fluorescence spectrum that can be used to analyze the channel medium.

Refractometric 감지 용 형광 코어 Microcavities의 합성 및 운영

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

연구

공학

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

희생 구성 요소의 증발을 사용하여 세 가지 차원 미세 만들기의 과정

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Procedure for the Development of Multi-depth Circular Cross-sectional Endothelialized Microchannels-on-a-chip

Efforts have been focused on developing in vitro assays for the study of microvessels because in vivo animal studies are more time-consuming, expensive, and observation and quantification are very challenging. However, conventional in vitro microvessel assays have limitations when representing in vivo microvessels with respect to three-dimensional (3D) geometry and providing continuous fluid flow. Using a combination of photolithographic reflowable photoresist technique, soft lithography, and microfluidics, we have developed a multi-depth circular cross-sectional endothelialized microchannels-on-a-chip, which mimics the 3D geometry of in vivo microvessels and runs under controlled continuous perfusion flow. A positive reflowable photoresist was used to fabricate a master mold with a semicircular cross-sectional microchannel network. By the alignment and bonding of the two polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels replicated from the master mold, a cylindrical microchannel network was created. The diameters of the microchannels can be well controlled. In addition, primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) seeded inside the chip showed that the cells lined the inner surface of the microchannels under controlled perfusion lasting for a time period between 4 days to 2 weeks.

A microchannels-on-a-chip platform was developed by the combination of photolithographic reflowable photoresist technique, soft lithography, and microfluidics. The endothelialized microchannels platform mimics the three-dimensional (3D) geometry of in vivo microvessels, runs under controlled continuous perfusion flow, allows for high-quality and real-time imaging&#160;and can be applied for microvascular research.

멀티 깊이 원형 단면 Endothelialized 마이크로 채널 - 온 - 칩의 개발을위한 절차

Efforts have been focused on developing in vitro assays for the study of microvessels because in vivo animal studies are more time-consuming, expensive, ...

생체공학

Microfluidic Fabrication of Polymeric and Biohybrid Fibers with Predesigned Size and Shape

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and used to dictate the shape as well as the diameter of a core stream.&#160;Grooves in the top and bottom of a microfluidic channel were designed to direct the sheath fluid and shape the core fluid.&#160;By matching the viscosity and hydrophilicity of the sheath and core fluids, the interfacial effects are minimized and complex fluid shapes can be formed.&#160;Controlling the relative flow rates of the sheath and core fluids determines the cross-sectional area of the core fluid.&#160;Fibers have been produced with sizes ranging from 300 nm to ~1 mm, and fiber cross-sections can be round, flat, square, or complex as in the case with double anchor fibers. Polymerization of the core fluid downstream from the shaping region solidifies the fibers.&#160;Photoinitiated click chemistries are well suited for rapid polymerization of the core fluid by irradiation with ultraviolet light.&#160;Fibers with a wide variety of shapes have been produced from a list of polymers including liquid crystals, poly(methylmethacrylate), thiol-ene and thiol-yne resins, polyethylene glycol, and hydrogel derivatives. Minimal shear during the shaping process and mild polymerization conditions also makes the fabrication process well suited for encapsulation of cells and other biological components.

Two adjacent fluids passing through a grooved microfluidic channel can be directed to form a sheath around a prepolymer core; thereby&#160;determining both shape and cross-section. Photoinitiated polymerization, such as thiol click chemistry, is well suited for rapidly solidifying the core fluid into a microfiber with predetermined size and shape.

미리 설계된 크기와 모양의 중합체 및 바이오 하이브리드 섬유의 미세 유체 제조

A &#8220;sheath&#8221; fluid passing through a microfluidic channel at low Reynolds number can be directed around another &#8220;core&#8221; stream and ...

Generation of Shear Adhesion Map Using SynVivo Synthetic Microvascular Networks

Cell/particle adhesion assays are critical to understanding the biochemical interactions involved in disease pathophysiology and have important applications in the quest for the development of novel therapeutics. Assays using static conditions fail to capture the dependence of adhesion on shear, limiting their correlation with in vivo environment. Parallel plate flow chambers that quantify adhesion under physiological fluid flow need multiple experiments for the generation of a shear adhesion map. In addition, they do not represent the in vivo scale and morphology and require large volumes (~ml) of reagents for experiments. In this study, we demonstrate the generation of shear adhesion map from a single experiment using a microvascular network based microfluidic device, SynVivo-SMN. This device recreates the complex in vivo vasculature including geometric scale, morphological elements, flow features and cellular interactions in an in vitro format, thereby providing a biologically realistic environment for basic and applied research in cellular behavior, drug delivery, and drug discovery. The assay was demonstrated by studying the interaction of the 2 &#181;m biotin-coated particles with avidin-coated surfaces of the microchip. The entire range of shear observed in the microvasculature is obtained in a single assay enabling adhesion vs. shear map for the particles under physiological conditions.

Flow chambers used in adhesion experiments typically consist of linear flow paths and require multiple experiments at different flow rates to generate a shear adhesion map. SynVivo-SMN enables the generation of shear adhesion map using a single experiment utilizing microliter volumes resulting in significant savings in time and consumables.

SynVivo 합성 미세 혈관의 네트워크를 사용하여 전단 접착지도의 생성

Cell/particle adhesion assays are critical to understanding the biochemical interactions involved in disease pathophysiology and have important ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

미세화 및 3D 미세 혈관의 조립

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Image-guided, Laser-based Fabrication of Vascular-derived Microfluidic Networks

This detailed protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation for the fabrication of vascular-derived microfluidic networks embedded in PEGDA hydrogels. Here, we describe the creation of virtual masks that allow for image-guided laser control; the photopolymerization of a micromolded PEGDA hydrogel, suitable for microfluidic network fabrication and pressure head-driven flow; the setup and use of a commercially available laser scanning confocal microscope paired with a femtosecond pulsed Ti:S laser to induce hydrogel degradation; and the imaging of fabricated microfluidic networks using fluorescent species and confocal microscopy. Much of the protocol is focused on the proper setup and implementation of the microscope software and microscope macro, as these are crucial steps in using a commercial microscope for microfluidic fabrication purposes that contain a number of intricacies. The image-guided component of this technique allows for the implementation of 3D image stacks or user-generated 3D models, thereby allowing for creative microfluidic design and for the fabrication of complex microfluidic systems of virtually any configuration. With an expected impact in tissue engineering, the methods outlined in this protocol could aid in the fabrication of advanced biomimetic microtissue constructs for organ- and human-on-a-chip devices. By mimicking the complex architecture, tortuosity, size, and density of in vivo vasculature, essential biological transport processes can be replicated in these constructs, leading to more accurate in vitro modeling of drug pharmacokinetics and disease.

This protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation to fabricate vascular-derived, biomimetic microfluidic networks embedded in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) hydrogels. These biomimetic microfluidic systems may be useful for tissue engineering applications, generation of in vitro disease models, and fabrication of advanced "on-a-chip" devices.

혈관 유래 미세 유체 네트워크의 이미지 유도, 레이저 기반의 제조

This detailed protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation for the fabrication of vascular-derived microfluidic ...

Microtensiometer for Confocal Microscopy Visualization of Dynamic Interfaces

Adsorption of surface-active molecules to fluid-fluid interfaces is ubiquitous in nature. Characterizing these interfaces requires measuring surfactant adsorption rates, evaluating equilibrium surface tensions as a function of bulk surfactant concentration, and relating how surface tension changes with changes in the interfacial area following equilibration. Simultaneous visualization of the interface using fluorescence imaging with a high-speed confocal microscope allows the direct evaluation of structure-function relationships. In the capillary pressure microtensiometer (CPM), a hemispherical air bubble is pinned at the end of the capillary in a 1 mL volume liquid reservoir. The capillary pressure across the bubble interface is controlled via a commercial microfluidic flow controller that allows for model-based pressure, bubble curvature, or bubble area control based on the Laplace equation. Compared to previous techniques such as the Langmuir trough and pendant drop, the measurement and control precision and response time are greatly enhanced; capillary pressure variations can be applied and controlled in milliseconds. The dynamic response of the bubble interface is visualized via a second optical lens as the bubble expands and contracts. The bubble contour is fit to a circular profile to determine the bubble curvature radius, R, as well as any deviations from circularity that would invalidate the results. The Laplace equation is used to determine the dynamic surface tension of the interface. Following equilibration, small pressure oscillations can be imposed by the computer-controlled microfluidic pump to oscillate the bubble radius (frequencies of 0.001-100 cycles/min) to determine the dilatational modulus The overall dimensions of the system are sufficiently small that the microtensiometer fits under the lens of a high-speed confocal microscope allowing fluorescently tagged chemical species to be quantitatively tracked with submicron lateral resolution.

This manuscript describes the design and operation of a microtensiometer/confocal microscope to do simultaneous measurements of interfacial tension and surface dilatational rheology while visualizing the interfacial morphology. This provides the real-time construction of structure-property relationships of interfaces important in technology and physiology.

Adsorption of surface-active molecules to fluid-fluid interfaces is ubiquitous in nature. Characterizing these interfaces requires measuring surfactant ...

Perfusable Vascular Network with a Tissue Model in a Microfluidic Device

A spheroid (a multicellular aggregate) is regarded as a good model of living tissues in the human body. Despite the significant advancement in the spheroid cultures, a perfusable vascular network in the spheroids remains a critical challenge for long-term culture required to maintain and develop their functions, such as protein expressions and morphogenesis. The protocol presents a novel method to integrate a perfusable vascular network within the spheroid in a microfluidic device. To induce a perfusable vascular network in the spheroid, angiogenic sprouts connected to microchannels were guided to the spheroid by utilizing angiogenic factors from human lung fibroblasts cultured in the spheroid. The angiogenic sprouts reached the spheroid, merged with the endothelial cells co-cultured in the spheroid, and formed a continuous vascular network. The vascular network could perfuse the interior of the spheroid without any leakage. The constructed vascular network may be further used as a route for supply of nutrients and removal of waste products, mimicking blood circulation in vivo. The method provides a new platform in spheroid culture toward better recapitulation of living tissues.

The protocol describes how to engineer a perfusable vascular network in a spheroid. The spheroid's surrounding microenvironment is devised to induce angiogenesis and connect the spheroid to the microchannels in a microfluidic device. The method allows the perfusion of the spheroid, which is a long-awaited technique in three-dimensional cultures.

미세 소자에서 조직 모델 perfusable 혈관 네트워크

A spheroid (a multicellular aggregate) is regarded as a good model of living tissues in the human body. Despite the significant advancement in the ...

A Microphysiological System to Study Leukocyte-Endothelial Cell Interaction during Inflammation

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of activated leukocytes across the vascular endothelium into key organs can lead to organ failure. A physiologically relevant biomimetic microfluidic assay (bMFA) has been developed and validated using several experimental and computational techniques, which can reproduce the entire leukocyte rolling/adhesion/migration cascade to study leukocyte-endothelial cell interactions. Microvascular networks obtained from in vivo images in rodents were digitized using a Geographic Information System (GIS) approach and microfabricated with polydimethylsiloxane (PDMS) on a microscope slide. To study the effect of shear rate and vascular topology on leukocyte-endothelial cell interactions, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed to generate a corresponding map of shear rates and velocities throughout the network. The bMFA enables the quantification of leukocyte-endothelial cells interactions, including rolling velocity, number of adhered leukocytes in response to different shear rates, number of migrated leukocytes, endothelial cell permeability, adhesion molecule expression and other important variables. Furthermore, by using human-related samples, such as human endothelial cells and leukocytes, bMFA provides a tool for rapid screening of potential therapeutics to increase their clinical translatability.

In this protocol, a biomimetic microfluid assay, which can reproduce a physiologically relevant microvascular environment and reproduce the entire leukocyte adhesion/migration cascade, is employed to study leukocyte-endothelial cell interactions in inflammatory disease.

염증 중 백혈구-내피 세포 상호작용을 연구하는 미생리학적 시스템

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of ...