3. Технология lab-on-a-chip

Материалы и методы для изготовления одноразовых чипов

В настоящее время микрофлюидные чипы изготавливают из пластинок кремния, кварца, стекла или пластика размерами 2–3 см2. На этих пластинках формируют канализированную поверхность, встраивают реагенты и электронные компоненты, после чего происходит герметизация каналов.

Каждый материал имеет свои преимущества и недостатки.


Кварц
является хорошим изолятором, поэтому изготовленные из него лабочипы хорошо подходят для проведения в них электрофореза. Так же кварц пропускает ультрафиолет, необходимый для возбуждения флуоресценции. Изготовление чипов из пластика дешевле, чем из других материалов. С кремнием удобно работать, так как существует целый арсенал хорошо зарекомендовавших себя технологий микрообработки кремния, например фотолитография. Так же кремний можно использовать в качестве полупроводника.


Использование микрофлюидной аналитической системы подразумевает работу с реагентами, несколько отличающихся по составу от одного измерения к другому. Такие аналитические системы могут иметь очень сложную конструкцию и быть сложно очищаемыми. Поэтому лучше в аналитических системах использовать одноразовые чипы. Наиболее подходящий материал для изготовления одноразовых чипов является пластик.


Для изготовления пластиковых лабочипов в основном используют полидиметилсилоксан (PDMS, диметикон), полиметилметакриллат (ПММА, органическое стекло) и полиамиды (нейлон-6 и нейлон-12).


Для изготовления пластиковых чипов используют прямое фрезерование, горячее теснение, литье под давлением, лазерная абляция и термополимеризация, а так же глубокая рентгеновская литография (LIGA – технологии, обеспечивающие изготовление форм для литья полимеров). Так, для формирования каналов можно использовать липкие к стеклянной подложке, обработанные плазмой канализированные пластины из силиконового эластомера. Технологиями микроэлектроники отдельно изготавливаются микро- и нанокомпоненты МФАС.


УФ-лазерная фотоабляция.
Изготовление лабочипов с помощью УФ-лазерной фотоабляции выполняется эксимерным лазером (lam=193нм, мощность – 200мДж/имп, частота импульсов – 10-50 Гц) на полимерном субстрате, поступательное движение которого управляется компьютером. Данным методом можно формировать канал в полистероле, поликарбонате, ацетате целлюлозы, полиэтилентерефталате. Герметизация каналов проводится ламинированием. Поверхность аблятных структур, назависимо от природы полимера, увеличивает гидрофильность.

Прямое фрезерование.
Данный метод заключается в формировании каналов на поверхности с помощью цифрового фрезерного станка.  Метод прямого фрезерования является один из самых простых методов изготовления лабочипов. Также с помощью этого метода изготавливают формы, которые в дальнейшем используются для изготовления полимерных чипов другими методами.

Литье реактивных полимеров.
Данный метод заключается в полимеризации реактивных пластмасс в форме. Он используется для изготовления зубных протезов из стоматологических акриловых реактивных пластмасс.

Отливка из ПДМС.
Хорошее прилипание обработанного плазмой ПДМС-эластомера к стеклу позволяет обойтись без процесса склеивания при герметизации каналов. Отмечено, что лабочипы, изготовленные из ПДМС обладают наибольшей эффективностью детектирования для лазер-индуцированной флуоресценции (>50%).

Теснение ПММА.
Микрофлюидные чипы получают путем прижатия негативной (выпуклой) формы канализированной поверхности к нагретой ПММА-пластинке. Для изготовления форм используют металлы (латунь, кремний, стальные проволоки и пр.) Такой штамп может многократно использоваться при изготовлении серии одинаковых чипов. Изготовленные по изложенной методике импринтинга лабочипы использовались для иммуноанализа.

Шприц-литье из пластика.
Технология шприц-литья схожа с технологией теснения с разницей в том, что используется расплавленная пластмасса, которая, остывая, твердеет и принимает нужную форму. Так как большинство пластиков обладают значительной термоусадкой, данное литье происходит под компенсирующим давлением. Для герметизации каналов наиболее успешным оказалось термическое ламинирование канализированной поверхности чипа лентой Mylar толщиной 2 mile, покрытой термически активируемым адгезивом при температуре 105º С в течении 5 мин.

В современной индустрии микрофлюидики используются несколько технологий изготовления микрофлюидных устройств. 

1) Первая и наиболее известная в повседневной жизни — технология основанная на капиллярных эффектах. Это знакомые тест-полоски. Они изготавливаются из волокнистых материалов, таких как бумага или модифицированные ее аналоги. На конец полоски наносится реагент, который взаимодействуя с пробой жидкости или раствора проявляет себя определенным образом, например оседает или сворачивается, оставляя видимый след на тест-полоске. Это простая технология не требующая больших затрат средств (кроме, разве что, реагентов) и сил на изготовление.