三层 SU-8 软光刻 · 同轴聚焦核壳微胶囊芯片加工解决方案 | 顶旭微控
DINGXU FLUIDICS · MICROFLUIDIC FABRICATION

三层 SU-8 软光刻
同轴聚焦核壳微胶囊芯片加工方案

对标 Mayo Clinic 发表于 JoVE 的核壳微胶囊制备工艺—— 三层高度差异化 SU-8 母模、PDMS 精密翻模、±2 μm 对准键合, 普通实验室即可复现发表级微流控芯片。

顶旭(苏州)微控技术有限公司 | www.dxfluidics.com
01 · 案例背景

一篇 JoVE 文献,撬动一套桌面级微流控加工平台

2021 年,Mayo Clinic 生理与生物医学工程系团队在 Journal of Visualized Experiments 发表论文(e62944),报道了一种利用同轴聚焦微流控芯片,将人多能干细胞(hPSC)单细胞悬液 封装进直径 400 μm 的核壳水凝胶微胶囊,48 小时内自组装为干细胞球。

这套工艺的核心难点不在生物实验本身,而在芯片加工——芯片需要三层不同高度的流道: 芯层 120 μm、壳层 200 μm、油相通道 300 μm,三层流道在同一个喷嘴处同轴汇聚, 最终通过两片 PDMS 对准键合形成三维结构。

文献原文:
Gwon K., Hong H.J., Gonzalez-Suarez A.M., et al. Microfluidic Fabrication of Core-Shell Microcapsules carrying Human Pluripotent Stem Cell Spheroids. J. Vis. Exp. 2021, 176, e62944. DOI: 10.3791/62944
02 · 芯片结构

四入口同轴聚焦:三层高度差流道

芯片包含四个入口(core / shell / shielding oil / crosslinker oil),经过一段蛇形通道汇入收集管。 芯层、壳层、油相通道高度分别为 120 μm、200 μm、300 μm,在喷嘴处形成同心环形流路。 文献还配套设计了一片前置解离芯片(单层 SU-8,50 μm 高度), 用三角形柱阵列打散 hPSC 细胞团块,将胶囊细胞占有率从 57% 提升至 90% 以上。

同轴聚焦芯片3D结构示意图
图 1 · 同轴聚焦核壳微胶囊芯片结构与工作原理(来源:Gwon et al., JoVE 2021, Figure 1)

三层流道高度参数

层级高度功能
Layer 1 · 芯层120 μm输送 hPSC 单细胞悬液(水相核心)
Layer 2 · 壳层200 μm输送 PEG-4-Mal 壳层溶液(水相外壳)
Layer 3 · 油相300 μm矿物油 + 表面活性剂 + 交联剂 DTT
解离芯片50 μm三角形柱阵列打散细胞团块
03 · 工艺流程

从 CAD 版图到 PDMS 芯片:三段式制造链路

三层SU-8光刻与PDMS键合工艺流程
图 2 · 三层 SU-8 母模制备(左)与 PDMS 翻模键合(右)流程(来源:JoVE 2021, Figure 2)
STEP 01
三层 SU-8 母模

三次旋涂(60 / 40 / 50 μm),分层对准曝光,一次性显影。160℃ 硬烘 + 氯三甲基硅烷脱模处理。

STEP 02
PDMS 翻模

PDMS 基胶:固化剂 = 10:1 配比,真空脱泡后浇筑母模,80℃ 固化 60 min 以上,剥离、切割、打孔。

STEP 03
对准与键合

O₂ 等离子活化 2 min,显微镜下滴加微量蒸馏水辅助对位,80℃ 烘箱过夜完成不可逆键合。

04 · SU-8 模具加工平台

桌面级光刻工作站,普通实验室即可部署

顶旭 SU-8 模具加工平台集成桌面紫外光刻机、高精度匀胶机、数显热板、千分测厚规与三目检测显微镜。 相比传统洁净间光刻产线,整套设备占地面积小、环境要求低, 让研究人员在自己的实验室里完成 10–350 μm 厚度范围的 SU-8 母模制备。

桌面紫外光刻机
桌面紫外光刻机
365 nm LED · 4 英寸
分辨率 2 μm · 均匀性 ≥90%
高精度匀胶机
高精度匀胶机
50–10000 rpm 两档
转速稳定性 ±1%
数显热板
数显热板
0–300 ℃ · 温控 ±1℃
200×200 mm 台面
千分测厚规
千分测厚规
量程 0–10 mm
精度 1 μm
4英寸SU-8母模实物
图 3 · 顶旭微控加工的 4 英寸 SU-8 母模实物
05 · PDMS 芯片加工平台

从配比、浇筑到打孔、键合的完整工作站

PDMS 芯片加工平台覆盖电子秤、真空脱泡器、PDMS 浇筑器、恒温烘箱、台式打孔器、 PDMS 切割器、DZ-100 对准平台与氧等离子键合机, 完成从液态 PDMS 到多层不可逆键合芯片的全部工序。

电子秤
电子秤
量程 0.01–1000 g
精度 0.01 g
真空脱泡器
真空脱泡器
PC 材质 · Φ230 mm
硅胶 O 圈高真空
PDMS浇筑器
PDMS 浇筑器
铝合金 · 真空吸附
适配 4 英寸模具
恒温烘箱
恒温烘箱
10–300 ℃
温度波动 ±0.2 ℃
台式打孔器
台式打孔器
针头内径 0.41–9.0 mm
孔深 0–20 mm
PDMS台式切割器
台式切割器
100×18×0.35 mm 刀片
切面垂直光滑
DZ-100对准平台
DZ-100 对准平台
XYZ 三轴 + 旋转
对准精度 ±2 μm
氧等离子键合机
氧等离子键合机
20.0 MHz 射频
石英腔体 10–30 Pa
06 · 核心技术亮点

±2 μm 精密对准 + 等离子不可逆键合

三层高度差流道能否在喷嘴处精确同轴汇聚,取决于两片 PDMS 翻模后的对准精度。 DZ-100 对准平台融合 XYZ 三轴位移、旋转功能与 CCD 可视化成像, 在显微镜下完成 PDMS/PDMS、PDMS/玻璃、PDMS/硅的多层结构对位,对准精度可达 ±2 μm。

配合氧等离子键合机(20.0 MHz 射频,石英腔体,10–30 Pa 真空), PDMS 表面羟基化后与另一层 PDMS 形成不可逆共价键合, 80℃ 长时间烘烤后表面恢复疏水,适配水-油两相微胶囊生成实验。

±2 μm
PDMS 多层对准精度
4 层
SU-8 母模最大层数
10–350 μm
单流道高度可控范围
07 · 加工成果

芯片上机验证:400 μm 核壳微胶囊稳定生成

核壳微胶囊显微照片
图 4 · 核壳微胶囊形貌与荧光壳层验证(来源:JoVE 2021, Figure 3)
400 μm
微胶囊直径
10 颗/s
生成速率
>95%
hPSC 封装后 3 天存活率

封装后的 hPSC 在 48 小时内自组装为干细胞球,胶囊在搅拌生物反应器中可承受剪切力保护细胞; 水凝胶壳层可负载生长因子,实现诱导分化信号的局部持续释放。

08 · 加工能力总览

平台核心加工指标

能力维度指标说明
SU-8 母模层数最多 4 层(本案例 3 层)分步旋涂—对准曝光—一次显影
单流道高度范围10 – 350 μmSU-8 2000 系列胶厚曲线覆盖
曝光 / 套刻分辨率2 μm365 nm LED,玻璃掩膜板
PDMS 多层对准精度±2 μmDZ-100 对准平台,CCD 可视化
芯片键合方式O₂ 等离子不可逆键合PDMS/PDMS、PDMS/玻璃、PDMS/硅
洁净间要求普通实验室桌面级设备,即买即用
09 · 应用领域

一套平台,覆盖多高度微流控芯片研发

核壳微胶囊与双乳液

W/O/W 双乳液、同轴聚焦液滴、水凝胶微球、细胞封装载体。

类器官与干细胞球

hPSC / hESC 球封装、3D 细胞培养、类器官生成与药物筛选模型。

器官芯片与微生理系统

多层 PDMS 流体控制、灌流培养、气液界面、肠/肺/肝芯片。

同平台可复现:双层液滴芯片、阶梯高度芯片、COC / 亚克力键合芯片。 从版图设计到成品芯片,普通实验室数周即可完成;配套工艺包、掩膜设计支持与现场培训。

10 · 联系我们

把文献里的芯片,变成你实验室里的日常。

SU-8 模具加工平台 · PDMS 芯片加工平台 · 掩膜设计 · 工艺包 · 现场培训

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