Mjuk litografi Anders Elfwing

Mjuk Litografi (Soft Lithography) Samlingsnamn på metoder där mjuka gummistämplar används för att överföra mönster utan att använda ljuslitografi. George M. Whitesides vid Harvard University (http://gmwgroup.harvard.edu) Tekniken är initierad av G Whitesides, dela ut material, från Harvard

Mål Förklara vad mjuk litografi är och vad det kan användas till

Tillverkning av stämplar Vad lärde vi oss i förra lektionen, hur man överför ett mönster till ett templat som senare kan användas till att gjuta av polymerer på

µCP – micro Contact Printing Metoder µCP – micro Contact Printing REM – Replica Molding MIMIC – Micro Molding in Capillaries uCP, fungerar som en vanlig stämpel, dvs föra över material från stämpeldyna till det man ska stämpla REM – Gjut av ett templat, skillnaden från tidigare är att templatet är ickemetalliskt, både templat och mold är polymerer uTM – fyll kaviteter med pre-polymer, flytta till substrat och härda, lyft av formen Alla metoder innebär att gummistämpeln/templatet kan återanvändas

µTM – micro Transfer Molding Metoder µTM – micro Transfer Molding SAMIM – Solvent Assisted Micro Molding Plus fler (Soft embossing, Lift off…) MIMIC, placera stämpeln/templatet på substrat, sug in lättflytande polymer i kappilärer, låt härda och ta bort stämpel SAMIM – Använda lösningsmedel som kommer att lösa upp polymeren Finns en mängd varianter på temat

Polydimetylsiloxane (PDMS) Hur gör man såna stämplar- vanligast förekommande materialet är PDMS. Två komponent system, härdar. Polymer + korsänkare osm i närvaro av katalyst (vanligen Pt) bildar ett nätverk. Finns olika kommersiella namn på detta, en vanlig är Sylgard 184 från Dow.

PDMS – Egenskaper Låg ytenergi Kemisk stabil Relativt inert yta Möjligt att modifiera Elastisk Tät kontakt med ytor Stora ytor möjligt Ej plana ytor Släpper från ytor Deformering Sträckbar Möjlighet till mycket tunna filmer Kemisk stabil svår att lösa i lösningsmedel Korslänkat löser sig ej Poröst Sväller i vissa organiska lösningsmedel gaser kan ta sig igenom Transparent >300 nm Hållbar 100 avgjutningar är ok Bara fördelar Biokompatibelt Inert men går att modifiera, Stabil men sväller Elastisk –kräver ej plana ytor mm, men deformeras Transparent för ljus ned i UV området –excellent för bla mikroskop, fluorescens

Tillverkning av PDMS-stämpel Sylgard 184 – Vägupp bas och härdare (10:1) Mixa Avlufta Deponera Sprid ut Härda/korslänka (100°C, 1h) Finns en uppsjö varianter Visa video –making devices. Härdning, ÖN i RT, ju varmare desto kortare tid

Viktiga dimensioner pairing sagging Pairing 0,2 < l/h Sagging d < 20h Begränsning, pairing, dvs vid höga och smala strukturer, gör bredare strukturer Sagging, väldigt breda strukurer kollapsar, lösning, gör fler eller längre stödben Krympning, materialet krymper något, blir mindre än det avgjutna. Gör större templat Shrinking, Krypning Anpassa mastern sagging

Master Fotolitografi SU8 (högre strukturer, <200 μm) PMMA (<2,5 μm) Kommersiella optiska gitter Poröst Aluminium Self-organize structures Silanisera Hydrofobt => PDMS fastnar inte Dimetylsilan Sputtra Aluminium Teflonbelägning Vanligen behöver vi inte gå omvägen via en metallisering, då PDMS är gummiartad vid sliter det inte så hårt på templatet, gjut av direkt mot fotoresisten. Ofta SU-8, negativ resist. Men ädven andra möjliga. Risk att PDMS fastnar på templatet, Ofta finns ju kisel under och då PDMS är en kiselbaserad polymer finns stor risk för interaktion. Lösning belägg med teflon, Al eller silanisera

1 Molding PDMS (uncured) PDMS (cured) Patterned SU-8 Si wafer

2 Release PDMS (cured) PDMS (uncured) Patterned SU-8 Si wafer

3 uCP - inking PDMS stamp ”ink” Flat surface

3 uCP - inking ”inked” PDMS stamp PDMS stamp ”ink” Flat surface

3 uCP – Printing/stamping ”inked” PDMS stamp Incubate/apply pressure Flat surface

4 uCP – Stamping multiple times ”inked” PDMS stamp Flat surface

µCP – micro Contact Printing “Bläcket”, sugs ju än upp mellan stämpeldynorna, tryck itne för hårt. Ifallet ovan förs thioler över som skyddar guldlagret som kan etsas bort. På thiolerna kan man sedan bygga vidare Y. Xia, G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 37, 1998, 550 Michel, B.; Bernard, A.; Bietsch, A.; Delamarche, E.; Geissler, M.; Juncker, D.; Kind, H.; Renault, J.-P.; Rothuizen, H.; Schmid, H.; Schmidt-Wenkel, P.; Stutz, R.; Wolf, H. IBM J. Res. Dev. 2001, 45, 697

µCP – micro Contact Printing TACK Vare att PDMS är flexibelt så är ytfinheten inte så kinkig. Man kan skapa väldigt små (sub-mikrometer) mönster, th olika mönster av olika SAMS

µCP massproduktion RtR uCP roll to toll. Om man vill använda uCP lite mer storskaligt kan man montera upp stämpeln på en rulle

Affinity contact printing Affinity, antikropp på stämpel Bind in AK kovalent till stämpel (silankemi) AK fiskar upp antigen ur lösnings Stämpla, vid koformal kontakt släpper antigen från AK och antigen blir sittande på ytan (i mönster), AK bibehålls, kolla krafter (Fbind<Fadher<Fchem

Affinity contact printing Vänster panel) Stainad med Fluorescin inmärkt antikropp mot NgCAM Höger panel) Stainad med rhodamin inmärkt antikropp mot Axoner A-B) Ytor preparerade med NgCAM antikroppar på konventionellt sätt C) Stämplade med slät stämpel indränkt preparerade med Anti- NGCAM antikropp D) med en mönstrad stämpel Främst D, man har alltså stämplat en yta med AK-protein vilket har till lett till att nervcellerna har vuxit ut där adhesionsmolekylen finns. Möjlighet att styra neuroner, intressant bla för att kunna skapa artificiella neurala kopplinar euron-glia cell adhesion molecule NGCAM, fiskat ut mha AK, därefter stämplat ut det

Multipel stämpling Droppe med alkantiol 1 cykel: 5s kontakt tid 5s i luften Vid uCP försämras stämpligen vartefter Total yttäckning de 7 första cyklerna

REM – Replica Molding Urethane Används för formning av plaster PDMS PU Cr Urethane REM, för över mönstret från templat till en anan polymer, varör inte direkt? Mindre slitage på dyr master (PDMS kan återanvändas), samt svåret att gjuta av alla polymerer direkt, i detta fallet Polyuretan som är ganska hård, dvs svårt att lossna från hårt templat. Typ Norland 71, kan användas på labben Används för formning av plaster Får närapå exakt kopia av orginalmastern Kan gjuta av PDMS mot PDMS Epoxy

µTM – micro Transfer Molding PDMS stämpel Lämnar viss residualfilm som kan tas bort med RIE Härda Gjut prepolymer i PDMS Ta bort överflödig vätska Härda och ta bort stämpeln Separerade strukturer möjligt

MIMIC – Micro Molding in Capillaries HEAT LIGHT Rubber stamp MIMIC structures Substrate Kräver att polymeren är mycket lättflytande, inte härdar alltför snabbt Urethane Epoxy

1 Molding PDMS (uncured) PDMS (cured) Patterned SU-8 Si wafer

2 Release PDMS (cured) PDMS (uncured) Patterned SU-8 Si wafer

3 mimic PDMS stamp Top view Flat surface

Top view 3 MIMIC – loading of channels Droplet of ”ink” PDMS channel system

Top view 3 MIMIC – loading of channels Droplet of ”ink” PDMS channel system

3 Demolding

MIMIC – Flöde Kappiläreffekten gör att man kan göra riktigt små submikrometersstrukturer, gäller dock att fylla hela vägen. Mer om det på mikrofluidik. Dock är det viktigt att det man vill få in i kappilärerna passar med kappilärerna material, tex svårt att få in vatten i en hydrofob struktur och vice versa

MIMIC kinetik MIMIC är en termodynamiskt driven process: Vätskan fyller kapillären för att minska den fria ytenegrgin i gränskikten vätska fast fas , vätska gas ΔG=-xΔzγLV(3 cos θ + cos θ´) Kappilärdrivna processer Ni kom ihåg att det fanns metod att skapa mönster mha PDMS-stämplar, rita upp mimic på tavlan deltaG=Gibbs fria enegri X = diametern på kappilären Deltaz, vätskelängden gammaLV ytenergin i vätske-luftgränssnittet Phi och phi prim är kontaktvinklarna för vätksan mot 1) väggarna och prim mot golvet, samma material =4 cos O Dvs håll O mellan 0 och 90 gradet, cos=positivt = deltaG=negativt=spontan process For any value of Ө and Ө’ between 0 and 90° the liquid fills the capillary. Non filling example: is water using the PDMS mold and a hydrophobic SAM (-CH3 terminated) on gold (Ө=105° Ө=’ 112°) Lösning: add surfactant or an organic solvent such as ethanol (5% is sufficient) to the water.

MIMIC Applications / patterning Små tredimensionella strukturer möjliga, tack vara dubbelsidig mönstring, PDM i mitten Xia, etl al. Chem. Mater., Vol. 8, No. 7, 1996 1561

Behöver inte vara höga strukturer, kan vara ett sätt få in material på ett mönstrat sätt, Silver deponeras i kanalerna och vattnet tas bort, ex från vårt eget lab

SAMIM – Solvent Assisted Micro Molding Residualfilm är begränsningen. Kan ev tas bort med RIE Substrat: spin på polymer Vät stämpeln med lösningsmedel Placera ovanpå polymer Evaporera lösningsmedel Lösningsmedlet ligger mellan strukturerna Mönstrad polymer fotoresist

Variant av SAMIM polystyrenfilm PDMS sväller något. Här fylld med lösningsmedel polystyrenfilm

Upplösning, mjuk litografi

Öka upplösningsförmågan flexibel skör Använd hårdare material, ger bättre upplösning

hard PDMS (hPDMS) Mer korslänkad “Filler” för mer korslänkning samt även annan monomer med dubbelbindning i sidokedja. Tunna lager Mer korslänkad Måste gjuta med support, annars går stämpeln inte att hantera Tjockt lager PDMS eller glas

Agaros Gjuta i agaros Celler mönstrade med agarosstämpel

Varför är det så rackarns bra? PDMS Varför är det så rackarns bra?

Rapid prototyping for Soft Lithography Avgjutning CAD SU-8 3000 dpi  4 µm PDMS 24 h Master Fotolitografi Utskrift på plast OH Mjuk litografi Strukturer Går snabbt att skapa sig strukturer, enkel fotolotgrafi med plast OH-film som mask (OK upplösning) ger templat som man kan gjuta av inom 24 h. jfr rapid prototyping video

Exempel med mask utskriven på OH-papper Ingen ytfinhet direkt, framförallt i svängar begränsningar

Nackdelar Ytan väldigt hydrofob – ”sticky” Monomerer läcker ut Ej massproduktion(?) Ytan är inert men stor risk att proteiner kläggar fast på ytan (visa hydrofilt protein med hydrofobt innanmäte vecklar upp sig), Ingen 100% härdning, finns mängder av monomerer kvar (finns där av en anledning, fungerar som mjukgörare), rör sig och läcker ut Lämpar sig nog inte för massproduktion

Lösningar Stickiness Monomerer Coata med BSA/pluronic Modifiera ytan med heparin Monomerer Tvätta ur, går ej 100% Förändrar mekaniska egenskaper (mjukgörare försvinner)

Bondning av PDMS Stark bondning till Si, glas men även till PS, PMMA etc Okänslig för ojämnheter Även fysisk ihoptryckning möjlig, ex biacore En stor fördel med PDMS är att det lätt går att bonda. Då den tillhör kiselfamiljen kan man på ett liknande sätt som Si-Si kunde bilda en bra bond så kan man bonda ihop PDMS med de flesta material. Skapa en Si-OH på ytan och för ihop med si-O2 etc skapas spontant en mycket stark bond (kovalent). Staark, tex med en annan PDMS –bit försöker man riva loss den går materialet, inte bondfogen sönder. Tack vare dess mjukhet är den dessutom inte så känslig för damm och strukturer Sätter man materialet i spännmot något hårt så fungerar det som ett packning, så länge tryck sitter det kvar, te x flödessystemet till biacoren,

Biokompatibelt Nervceller som rör sig på mönstrad PDMS yta. Ytan är belagd med fibronektin (ett protein), verkar som de gillar att röra sig längs dikena.

Möjlighet att variera E Genom att tillsätta mindre härdare kan man få ett än mjukare PDMS vilket har visat sig kunna påverka celldifferentieringen. Kanske svårt att se men till vänster har vi den vanliga dellkultursplattan av polystyren och sedan i ordning allt mjukare PDMS, ser vi att te cellerna mår bra på mjukt material. Åter en möjlighet att styra celldifferentiéring, bl a det projekt jag jobbar med att titta på khur man kan förbättra livsbetingelserna för cellerna.

Ytmodifiering Beskriv silaniseringsprocessen’ En stor fördel med PDMS är att trots att ytan är inert går den lätt att modifiera. Plasmabehandling av ytan oxiderar SI-CH3 (rita) -> Si OH, reaktiv grupp kan man använda silankemi R-Si-CL3, eller R-Si-OH skapar siloxanbindningar Vanliga R- amin, APTES aminotriethoxyylsilan, bra när man vill binda in proteiner (te x via glutaraldehyd O=CH-CH2-CH2-CH2-CH=O till heparin)

Ytmodifieringar Syreplasma (O2-plasma) Lång behandling ger mycket SiO2, glasartad hård yta som lätt spricker.

Monomererna som läcker Kan de vara bra till något?

Contamination or an Ink? Surface energy switching Contact angle for n-hexadecane as a function of the contacting time. The first point shows the measured contact angle on non-modified PEDOT-PSS and NaPSS surfaces. (Wang et. al.) So could this contamination be used? Yes if a patterned PDMS stamp is brought into contact with a substrate it leaves A pattern with different surface energy and changes in its wetabllity Wang X. J, Ostblom M, Johansson T, Inganas O. Thin Solid Films(2004) 449 125–132.

Kontaminering av PDMS Residuallager av lågmolekylärt PDMS Använd lagret för att bygga på nästa lager osv Wang et al. 2004

Patterning on PDMS surface energy modified substrates Stamping 1-15 min incubation 15-60 min remove surplus Fluorescence microscopy image of: By incubating a solution of for example proteins or CPE and after a certain time removing the surplus A pattern of the molecule are achived Her you see adsorbed antibodies to the left, the pattern have a pitch of 1,67µm To the right is one of our CPE adsorbed to the contacted areas Immobilised antibodies conjugated with fluorescent texas Red, (period 600 lines/mm, scale 20 µm) Luminescent conjugated polymer, PTAA (scale 100 µm) J. A. Wigenius 2007, Patterning functional proteins by adsorption on PDMS surface energy modified substrates. Manuscript

Immobilisation of Antibodies So by incubate with a solution of primary Antibodies in buffer on a PDMS residual patterned hydrophilic substrate And removing the surpluse

Incubation with antigen And incubate the chip with a complementary antigen

Immobilisation of Antibodies Blocking the free space with BSA Primary antibodies (blue)

Binding of complementary antigen we hope to se antibodies adsorbed to specific parts on the chip followed by specific binding of antigen The antibodies is labelled with a blue dye and the antigens with a red dye

Immobilisation of Antibodies with preserved bioactivity and specificity A) B) A) Primary antibody conjugated with Alexa 350 (ex 365nm, ex- time 1,6s) B) Incubation of complementary antigen conjugated with Texas Red on A), (ex 546nm, ex- time 4s) C )Non- complementary antigen conjugated with FITC incubated on A) only the background is visible, (ex 470nm, ex- time 10s). Scale bars 100µm And as can bee seen in the fluorescence microscope picture are the blue labelled primary antibodies adsorbed to the contacted, hydrophobic parts of the chip And after incubation with a complementary antigen, we can se binding to the antibodies A green labelled non complementary antigen gives no detectable pattern, C) Jens A Wigenius et. al. Accepted (2008) Biointerphases “Protein biochips patterned by microcontact printing or by adsorption - soft lithography in two modes”

Alternativ master 1. Oxidized silicon wafer 2. Resist spin coating 3. Photolithography 4. Developing 5. SiO etch and Resist stripping 6. Dry etching 7. Oxide strip 8. Electroplating 9. PDMS casting 10. Bonding to glass substrate

Ordlista Master/templat, PDMS, MIMIC, microcontact printing, ytmodifiering, läckande monomerer, sagging, pairing, bondning