ES2263400A1 - Dispositivos micro-manofluidicos flexibles. - Google Patents

Dispositivos micro-manofluidicos flexibles.

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ES2263400A1 ES200601322A ES200601322A ES2263400A1 ES 2263400 A1 ES2263400 A1 ES 2263400A1 ES 200601322 A ES200601322 A ES 200601322A ES 200601322 A ES200601322 A ES 200601322A ES 2263400 A1 ES2263400 A1 ES 2263400A1
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Abstract

Dispositivos micro-nanofluídicos flexibles. La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos que incorporan componentes metálicos y micro-mecánicos en voladizo integrados monolíticamente con la circuitería fluídica.

Description

Dispositivos micro-nanofluídicos flexibles.
Campo de la invención
La presente invención se encuadra en general dentro del campo de los dispositivos poliméricos flexibles y en concreto dentro del campo de los dispositivos poliméricos micro-nanofluídicos integrados con componentes electrónicos y micromecánicos flexibles.
Estado de la técnica
Las primeras estructuras microfluídicas fueron desarrolladas a principios de la década de los 90 (Darwin R. Reyes, Dimitri Iossifidis, Pierre-Alain Auroux and Andreas Manz. Micro Total Analysis Systems. 1. Introduction, Theory, and Technology. Anal. Chem. 2002, 74, 2623-2636). Estas estructuras se fabricaron utilizando como materiales el silicio y el vidrio debido a que las técnicas de microfabricación sobre estos sustratos estaban desarrolladas por la industria microelectrónica. El campo de aplicación de estos dispositivos con mayor futuro se encuentra en las nuevas aplicaciones de análisis bioquímico y el dispensado de alta precisión de diferentes tipos de fármacos. Para la mayoría de estas aplicaciones es necesario dispositivos desechables de un solo uso. El silicio y vidrio son materiales con un elevado coste para este tipo de aplicaciones, que requieren dispositivos de un tamaño mayor que los dispositivos microelectrónicos, debido tanto al coste del material como al asociado a los procesos de fabricación, especialmente lentos y costosos en el caso del vidrio. Por ello durante los últimos años se han desarrollado técnicas de microfabricación en polímeros de microcanales, como el proceso de micro-replicación (hot embossing), la microinyección y el micromecanizado del mismo. También se han desarrollado nuevos procesos de sellado de microcanales en polímero como son la laminación y sellado por fusión, paso crítico en la fabricación de estos dispositivos (Holger Becker, Laurie E. Locascio "Polymer microfludic devices" Talanta 56 (2002) 267-287). Además los polímeros en su mayoría presentan un mejor nivel de biocompatibilidad que el Silicio y Vidrio (Gabriela Voskerician et al. Biocompability and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials 24 (2003) 1959-1967).
Durante los últimos años determinadas aplicaciones como el dispensado de fármacos [S. Zafar Razzacki. Integrated microsystems for controlled drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews 56 (2004) 185-198] o de ionización por electrospays para aplicaciones en espectroscopia de masas (Philippe Schmitt-Kopplin. Capillary electrophoresis-mass spectrometry: 15 years of developments and applications. Electrophoresis 2003, 24, 3837-3867) (Steve Arscott et al. A planar on-chip micro-nib interface for NanoESI-MS microfluidic applications. J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 310-316) han creado la necesidad del desarrollo de dispositivos microfluídicos de muy poco espesor (entre las 50 a las 250 micras) en muchos casos flexibles y de una alta resolución. En algunos casos estos dispositivos deben de tener resoluciones en dimensiones nanométricas.
Recientemente se han desarrollado estructuras microfluídicas fabricadas en sustratos de entre 50-250 micras de espesor, utilizando sustratos de silicio de 500 micras de espesor (Sparks US Patent No 6844213 B2 Jan. 18, 2005). El silicio es fotolitografiado y atacado mediante técnicas clásicas de fabricación microelectrónica, hasta crear estructuras de espesores finos que incorporan canales microfluídicos y electrodos metálicos dentro de ellas. Otros desarrollos similares han incluido elementos de control fluídico micromecánicos fabricados en silicio (D. Papageorgiou. A shuttered probe with in-line flowmeters for chronic in vivo drug delivery. Proceddins of IEEE MEMS 2001. 212-215) Como se ha comentado previamente, para muchas de estas aplicaciones el Silicio no es el material idóneo, debido al coste de material y su nivel de biocompatibilidad así como a la extremada fragilidad de estructuras de silicio tan finas. Durante los últimos años las nuevas tecnologías sobre materiales poliméricos se han modificado para obtener estructuras más finas y con un mayor grado de flexibilidad. Así se han desarrollado tecnologías sobre materiales como las Poliamidas (PI) [S. Metz et al. Polymide-based microfluidic devices. Lab Chip, 2001, 1, 29-34], el Benciclobuteno (BCB) 1 (Keekeun Lee et al. Biocompatible benzocyclobutene-based intracoridal neural implant with surface modification. J. Micromech. Microeng. 15 (2005) 2149-2155), Parileno (Shoji Takeuchi, D. Zielgler, Y Yoshida, K. Mabuchi and T. Suzuki. Lab Chip, 2005, 5, 519-523) y SU-8 (Patrick Abgrall et al. A novel fabrication meted of flexible and monolithic 3D microfluidic strucutres using lamination of SU-8 films. J. Micromech. Microeng. 16 (2006) 113-121) (Santeri Tuomikoski. Free-standing SU-8 microfluidic chips by adhesive bonding and release etching. Sensors and Actuators A 120 (2005) 408-415).
Las técnicas para fabricar estas estructuras microfluídicas en polímeros están basadas en la creación de canales microfluídicos mediante diferentes técnicas, como las de fabricación planar microelectrónica (fotolitografía, deposito de lámina delgadas y ataques húmedos y secos), micromecanizado por laser o micro-replicación sobre el material polimérico. Los canales microfluídicos son sellados y encapsulados utilizando técnicas de sellado específicas como el sellado por fusión (bonding) o la micro-laminación. Estos dispositivos microfluídicos poliméricos flexibles deben ser transportados en un soporte rígido durante la fabricación del mismo. Sobre estos sustratos rígidos (silicio fundamentalmente) han de ser depositados y procesados. Una vez terminada la fabricación de las estructuras poliméricas son liberadas de los sustratos sobre las que han sido procesadas.
En el caso de los dispositivos microfluídicos creados en BCB y PI los dispositivos desarrollados deben de recibir tratamientos especiales para dotar de mayor rigidez a estas estructuras, debido a la excesiva flexibilidad de estos materiales en espesores tan finos (Keekeun Lee. Biocompatible benzocyclobutene-based intracortical neural implant with surface modification. J. Micromech. Microeng. 15. 2005. 2149-2155) (Kee-Keun Lee. Polymide-based intracortial neural implant with improved strcutural stiffness. J. Micromech. Microeng. 15. 2004. 32-37). En estos trabajos se ha mantenido uno de los sustratos rígidos (silicio) que soportan las estructuras durante la fabricación. Este sustrato es atacado mediante técnicas de ataque seco por plasma, para dejar una fina capa de silicio de unas 20 micras, por debajo de las estructuras poliméricas. De este modo el dispositivo presenta una mayor rigidez. Esta solución es lenta y costosa, encareciendo el coste de los materiales utilizado y el proceso de fabricación asociado.
Durante los últimos años, se han desarrollado nuevas tecnologías microfluídicas utilizando el polímero termoendurecile SU-8 (US Pat. 4, 882,245, Nov 21, 1989). El SU-8 es un material que presenta una buena biocompatibilidad (Gabriela Voskerician et al. Biocompability and biofouling of MEMS drug delivery devices. Biomaterials 24 (2003) 1959-1967). Además es uno de los materiales más apropiados para aplicaciones en el campo de la microfluídica dada su gran versatilidad a la hora de fabricar canales microfluídicos de diferentes tamaños y por sus excelentes propiedades químicas, ópticas y mecánicas [Despont M, Lorennz H, Fahrni N, Brugger J, Renaud P and Vetiger P 1996 High aspect ratio, ultrathick, negative-tone near-UV photoresist for MEMS applications Proc. IEEE'96 (San Diego, CA, Jan. 1996) pp 162-7]. Es importante destacar que la fabricación del polímero SU-8 es compatible con las líneas de fabricación de circuitos integrados microeléctronicos (CMOS), lo que abre la posibilidad de su fabricación en masa.
El SU-8 se ha utilizado en los últimos años en muchas aplicaciones microfluídicas, entre las que cabe destacar las de dispositivos miniaturizados de electroforesis (M. Aguirregabira et al. Sodium dodecyl sulfate-capillary gel electrophoresis of proteins in microchannels made of SU-8 films. En preparación para la revista Electrophoresis) o de ionización por electrospray (Steve Arscott et al. A planar on-chip micro-nib interface for NanoESI-MS microfluidic applications. J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 310-316). Dado el que él SU-8 no necesita tratamientos para mejorar su rigidez, y que es lo suficientemente flexible para muchas de las aplicaciones mencionadas, se presenta como uno de los materiales con mayor futuro para el desarrollo de dispositivos comerciales.
Se han desarrollado nuevas técnicas para la fabricación de dispositivos microfluídicos libres y flexibles basados en SU-8 (Patrick Abgrall et al. A novel fabrication meted of flexible and monolithic 3D microfluidic structures using lamination SU-8 films. Journal of Micromechanc. and Microeng. 16 1113-121) (Santeri Tuomikoski et al Free-standing SU-8 microfluidic chips by adhesive bonding and release etching. Sensors and Actuators A 120 2005. 408-415). En estas tecnologías de fabricación se han utilizado capas no polimerizadas de SU-8 para el sellado de los canales microfluídicos, paso crítico en el proceso de fabricación de este material. Debido a esto, el proceso de polimerización y revelado necesario para obtener los dispositivos microfluídicos se realiza una vez finalizado el sellado de los canales. Esto puede provocar una contaminación importante de los dispositivos durante el proceso de curado y revelado. En el caso del desarrollo de Patrick Abgrall et al, los canales microfluídicos no pueden tener tapas de sellado mayores de 50 micras, lo que limita las presiones de utilización de los dispositivos. Además debido al estado viscoso (no polimerizado) que presenta el material durante el proceso de sellado (que se realiza aplicando presión y temperatura), la posibilidad de colapso y deformación de los microcanales por el flujo del polímero en estado viscoso es muy alta. Esto dificulta el diseño de los canales microfluídicos y empeora la definición de los mismos. Las estructuras están seriamente limitadas en espesor y distancia entre canales adyacentes. En el proceso desarrollado por Santeri Tuomikoski et al, el proceso de liberación de las estructuras de SU-8 en el sustrato rígido debe de ser realizada con atacantes químicos agresivos, como ácido fluorhídrico. En el trabajo se cita que dichos ataques químicos pueden atacar las estructuras que se han formado previamente, disminuyendo la calidad de las mismas.
Es importante destacar que en ninguna de las tecnologías poliméricas mencionadas se ha incorporado en sus procesos de fabricación elementos micromecánicos de control. Existe por tanto una necesidad de desarrollar dispositivos poliméricos micro-fluídicos cuya resolución y definición no se encuentre limitada por su proceso de fabricación, ni exista la posibilidad de contaminación durante la fabricación, que no den reacciones de bioincompatibilidad y que el proceso de fabricación sea de bajo coste.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos que incorporan componentes metálicos y micro-mecánicos en voladizo integrados monolíticamente con la circuitería fluídica, mediante el sellado de capas previamente polimerizadas y estructuradas. Posteriormente estas capas son liberadas del sustrato sin necesidad de ataque químico, dicho procedimiento de fabricación permite además el corte de los dispositivos de forma manual, de tal forma que soluciona los problemas existentes en el estado de la técnica.
Así pues, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos que comprende:
a)
depósito de una foto-resina polimérica termoendurecible (3) sobre dos sustratos de material polimérico (2) que cubren la superficie de dos sustratos independientes (oblea 1) y (oblea 1').
b)
fotolitografía a baja temperatura de las capas de foto-resina polimérica termoendurecible (3) depositadas en la etapa a)
c)
depósito de componentes tipo metálico en al menos una oblea
d)
micro-estructuración de los componentes metálicos depositados en la etapa c)
e)
depósito de una capa de foto-resina polimérica termoendurecible (3) sobre la oblea 1'
f)
fotolitografía y revelado a baja temperatura de la foto-resina polimérica termoendurecible depositada sobre la oblea 1'
g)
sellado a baja temperatura de las obleas 1 y 1' obtenidas mediante superposición de las mismas enfrentadas por la superficie de la foto-resina
h)
liberación de las estructuras micro-nanofluídicas de los sustratos de material polimérico biocompatible
i)
corte de los dispositivos
En una realización particular de la presente invención, la foto-resina polimérica termoendurecible, es preferiblemente una epoxi-resina. En una realización más particular la foto-resina polimérica termoendurecible es SU-8.
En la presente invención cuando nos referimos a SU-8, nos referimos a una resina polimérica de base epoxi, en concreto nos referimos a un polímero clorometiloxiraneo formaldehído 4,4'-(1-metilletideno)bis-fenol.
En una realización particular de la presente invención, el depósito de la foto-resina polimérica termoendurecible sobre los sustratos rígidos e independientes de material polimérico biocompatible, se lleva a cabo mediante técnicas de depósito por espineado.
En una realización particular de la presente invención, la etapa a) de depósito de la foto-resina polimérica termoendurecible sobre los dos sustratos rígidos e independientes de material polimérico biocompatible que cubren la superficie de las obleas 1 y 1', se repite al menos una vez para alcanzar un mayor espesor de la capa de foto-resina. En una realización particular de la presente invención, el espesor de capa de foto-resina polimérica termoendurecible depositada es de 20 y 35 micras.
En una realización particular de la presente invención los sustratos rígidos e independientes de material polimérico biocompatible pueden ser por ejemplo: metacrilato (PMMA), zeonex, leonor, kapton, PI, PET, mylar, o cualquier material polimérico conocido por un experto en la materia que presente baja adherencia con la fotoresina termoendurecible.
En una realización particular de la presente invención, la fotolitografía a baja temperatura de la etapa b) y/o de la etapa f) se realiza a temperaturas por debajo de la temperatura de transición vítrea del polímero, preferiblemente la temperatura a la que se realiza la fotolitografía se encuentra comprendida entre 80-95ºC. En una realización particular, la fotolitografía a baja temperatura se lleva a cabo mediante iluminación, más particularmente la iluminación es con luz ultravioleta.
En una realización particular de la presente invención, la fotolitografía a baja temperatura que se realiza en la oblea 1, se lleva a cabo mediante la aplicación de iluminación discontinua sobre la superficie de la foto-resina polimérica termoendurecible.
En una realización particular de la presente invención, la fotolitografía a baja temperatura que se realiza en la oblea 1', se lleva a cabo mediante la aplicación de iluminación continua sobre toda la superficie de la foto-resina polimérica termoendurecible.
En una realización particular de la presente invención, posteriormente a la fotolitografía de la etapa b) se produce el depósito de los componentes metálicos (4) sobre la oblea 1'.
En la presente invención cuando nos referimos a componentes metálicos nos referimos a componentes metálicos conductores, como por ejemplo oro, cromo, aluminio titanio y/o ferromagnéticos como por ejemplo el Niquel, Cobalto, etc
En la presente invención, cuando nos referimos a microestructurado de los componentes metálicos, nos referimos a técnicas de microestructurado conocidas por un experto en la materia como por ejemplo, pulverización catódica, fotolitografía, ataques húmedos y secos, electrodepósito.
En una realización particular de la presente invención, la etapa e) de depósito de la capa de foto-resina polimérica termoendurecible sobre la oblea 1', se repite al menos una vez.
En una realización particular de la presente invención, existe una etapa previa a la etapa g) donde se realizan estructuras micro-mecánicas en voladizo.
En el contexto de la presente invención, el término "estructuras micro-mecánicas en voladizo" se refiere a elementos suspendidos mediante al menos un anclaje y con al menos un grado de libertad de movimiento.
En una realización particular de la presente invención, el sellado a baja temperatura de las obleas 1 y 1' se realiza a temperaturas por debajo de la temperatura de transición vítrea del polímero, preferiblemente la temperatura a la que se realiza la fotolitografía se encuentra comprendida entre 80-120ºC.
En una realización particular de la presente invención, la liberación de las estructuras micro-nanofluídicas del la etapa h) se realiza mediante ultrasonidos en baño de alcohol.
En una realización particular de la presente invención, el corte de los dispositivos micro-nanofluídicos de la etapa i) se realiza de forma manual.
En el contexto de la presente invención el término "dispositivos micro-nanofluídicos" se refiere a dispositivos que contienen microcanales (6) de dimensiones comprendidas entre 500 micras y 500 nanómetros, como son por ejemplo, las microcánulas, los dispositivos para el diagnóstico clínico, los micromezcladores, los chips de electroforesis, chips de electrospray etc.
Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo micro-nanofluídico obtenido por un procedimiento anteriormente descrito y que comprende al menos un canal micro-nanofluídico. En una realización particular, las dimensiones en espesor del dispositivo están comprendidas entre 500 micras y 500 nanómetros. En una realización particular, los canales micro-nanofluídicos comprenden unas dimensiones entre 5 y 500 micras de ancho y entre 1 y 500 micras de alto. En una realización particular los canales micro-nanofluídicos comprenden entre 10 y 200 micras de alto.
En una realización particular el dispositivo micro-nanofluídico puede comprender microcámaras con unas dimensiones comprendidas entre 1 y 5 mm de ancho y entre 20 y 180 micras de alto.
En una realización particular de la presente invención, el dispositivo micro-nanofluídico comprende componentes tipo metálico, en una realización particular los componentes de tipo metálico son metales conductores o metales ferromagnéticos.
En una realización particular los componentes tipo metálico son componentes microelectrónicos como por ejemplo sensores, electrodos.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al uso de un dispositivo micro-nanofluídico descrito anteriormente para el diagnóstico clínico, la dispensación de medicamentos, extracción de líquidos, prótesis neurales, chips de electroforesis, microcánulas, microsondas.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un esquema general del procedimiento de fabricación de los dispositivos micronanofluídicos.
La figura 2 muestra detalles de microcanales de diferentes dimensiones.
a)
20 x 50
b)
60 x 50
c)
90 x 50
La figura 3 muestra una perspectiva de los microdispositivos microfluídicos con estructuras micromecánicas incorporadas.
La figura 4 muestra un detalle las estructuras micromecánicas en voladizo.
La figura 5 muestra esquemáticamente un chip de electroforesis.
La figura 6 muestra el resultado de la inyección y la separación de dos proteínas tras aplicar voltaje a través de los electrodos del dispositivo.
La figura 7 muestra el diseño de micro cánulas.
La figura 8 muestra en detalle los microcanales en las micro-cánulas.
La figura 9a y 9b muestra fotografías a microscopio electrónico de las micro-cánulas.
Descripción detallada de un modo de realización
El procedimiento de la presente invención se basa en el uso de técnicas de fotolitografía y sellado a temperaturas por debajo de 100ºC (F J Blanco et al. Novel three dimensional embedded SU-8 microchannels fabricated using a low temperature full wafer adhesive bonding. Journal of Micromechanics and Microengeeniring 14 (2004) 1047-1056) (M. Agirregabiria et al. Fabrication of SU-8 multilayer microstructures based on successive CMOS compatible adhesive bonding and releasing steps Lab chip 2005, 5, 545-552) de fotorresinas poliméricas termoendurecibles (SU-8) (US Pat. 4, 882,245, Nov 21, 1989) que nos permiten fabricar estructuras microfluídicas de muy alta resolución (de entre 500 nanómetros a 500 micras de ancho, y de 1 a 200 micras de altura) sobre dos sustratos rígidos sobre el que se han depositado, pegado o laminado, de manera reversible un material plástico sobre el que el SU-8 tiene una baja adherencia, por ejemplo una Poliamida (Kapton), PET o Mylar. Estos materiales poliméricos tienen una baja adhesión al SU-8 por lo que nos permite una vez finalizado el proceso liberar totalmente las estructuras del sustrato sobre el que se han fabricado. Además en la presente invención se han desarrollado procesos de fabricación para integrar monolíticamente componentes micromecánicos en voladizo y pistas de metal integradas.
A continuación se describen las diferentes etapas de fabricación, la optimización del proceso de unión para formar los microcanales y la caracterización fluídica de los mismos.
El proceso de fabricación de la invención comenzó con el depósito de la foto-resina (3) SU-8 mediante técnicas de espineado en dos obleas rígidas transparentes (1 y 1'), que pueden ser de distinto material como por ejemplo de Vidrio, metacrilato o polímeros COC, sobre las que se ha depositado, pegado o laminado una capa de material polimérico biocompatible (2) como por ejemplo Kapton, PI o PET (Figura 1). En este ejemplo, se utilizó como sustrato de material polimérico biocompatible el Kapton con un espesor mínimo de 250 micras, que proporcionó una rigidez suficiente para los pasos posteriores de depósito y fotolitografía. El proceso de espineado se realizó en un plato giratorio que nos permitió espinear el SU-8 de una manera uniforme. El SU-8 se depositó sobre los sustratos y a continuación se hizo girar el plato. De la velocidad y tiempo del giro del plato depende el espesor de la capa depositada que puede ir desde 1-500 micras de espesor. En este ejemplo particular se obtuvieron capas de 20 micras de espesor, y por lo que el proceso se realizó en dos etapas, una primera durante 5 segundos a 600 revoluciones por minuto (r.p.m.) con una aceleración de 200 r.p.m./segundo y una segunda de 5000 r.p.m. y con una aceleración de 600 r.p.m./segundo durante 60 segundos. En otros ejemplos particulares se depositaron capas de mayor espesor (35 micras) para aumentar la altura de las microcámaras o microcanales, para ello se realizaron en dos etapas, una primera durante 5 segundos a 600 revoluciones por minuto (r.p.m.) con una aceleración de 200 r.p.m./segundo y una segunda de 3000 r.p.m. y con una aceleración de 600 r.p.m./segundo durante 60 segundos. Para conseguir el espesor deseado, se repitió el proceso varias veces con capas de diferentes espesores. Como resultado el SU-8 se depositó de manera uniforme por todo el sustrato, formando diferentes capas, con un espesor determinado por el proceso de espineado, si solo se ha espineado una capa, o por diferentes capas depositadas una encima de la otra. Estas capas se sometieron a continuación a un proceso térmico (soft bake) a una temperatura de entre 75ºC y 100ºC durante 7 minutos en el caso de una película de 20 micras, y de 10 minutos para películas de espesores hasta 100 micras, en una placa caliente plana (hot píate). Para películas de espesores mayores de 100 micras se realiza un tratamiento térmico de más de 12 minutos. La temperatura del plato se elevó a temperaturas de entre 75 y 100ºC. En este proceso se evaporaron los restos de solvente que no fueron eliminados durante él deposito y se uniformizó la resina depositada. Una vez finalizado el proceso térmico el polímero depositado fue microestructurado utilizando técnicas estándar de fotolitografía.
El proceso fotolitográfico de estructurado comenzó con un proceso de iluminación ultravioleta en un alienador de contacto (equipo de fotolitografía estándar Suss MA6). A través de una máscara colocada en el alienador se expusieron a la luz ultravioleta solo las zonas que una vez terminado el proceso darán lugar a las microestructuras (microcanales (6)). La dosis ultravioleta que se empleó para fotolitografias capas de 20 micras fue de 140 mJ/cm^{2}. Para dos capas sucesivamente depositadas de 20 y 35 micras de espesor (55 micras de capa total) la dosis fue de 200 mJ/cm^{2}. Posteriormente se realizó un tratamiento térmico que endureció (polimerizó) él SU-8 de las zonas expuestas, a una temperatura de entre 80 y 95ºC durante 3 minutos para capas de 20 micras, y de 4 minutos para capas de 55 micras. Una vez endurecidas se realizó un revelado químico de las zonas no expuestas de tal forma que se definieron los microcanales (6), sobre el SU-8. Este revelado se realizó con el revelador estándar de la fotorresina SU-8 (propileno glicol monometil éter acetato PMGA). Durante el revelado las partes no expuestas fueron eliminadas, dejando las microestructuras sobre el sustrato. Una vez terminado el proceso de fabricación, estas estructuras se establecieron como las guías de los microcanales. A causa de la naturaleza del proceso fotolitográfico, estos microcanales se alinearon en los sustratos sin problemas con la deformación del sustrato y con una resolución de 1 micra, resolución de alienador fotolitográfico de máscaras (Suss MA6).
En una de estas capas, no se realizaron canales y se depositó una capa metálica (4) que posteriormente fue estructurada. La capa metálica puede ser de diferentes materiales (Oro, Platino, Plata, Cromo, Titanio etc, o combinaciones de los mismos) en este caso particular se depositó oro y cromo. El depósito de los compuestos metálicos se puede realizar mediante técnicas de pulverización catódica, fotolitografía y ataques húmedos y secos (por plasmas) o técnicas de electrodepósito En un ejemplo particular se realizó mediante técnicas de depósito y fotolitografía, para ello, sobre la superficie de SU-8 sin microcanales se depositó una capa de metal con técnicas convencionales de depósito por sputtering o evaporación. A continuación sobre esta capa se depositó una fotorresina (5) de 1 micra de espesor, que fue fotolitografiada definiendo las áreas donde se eliminó el metal.
Esta fotorresina fue revelada y mediante un ataque químico se eliminaron las capas de metal expuestas. Este ataque químico dependió del metal o combinaciones de metales utilizados. Seguido a este paso se eliminó la fotorresina utilizando acetona, metanol o el revelador PGMA. Es importante destacar que los ataques químicos utilizados son compatibles con el SU-8. Una vez definidas las pistas metálicas se depositaron sobre las mismas otra capa de SU-8, con el mismo procedimiento explicado en el párrafo anterior.
Esta capa sé fotodefinió en las zonas donde queramos situar microcanales, o en donde queramos hacer los contactos metálicos de las pistas metálicas con el medio exterior. En una de las obleas se incorporaron estructuras micromecánicas en voladizo (figura 3 y 4). Para ello se extendió una capa de entre 3-5 \mum de fotorresina positiva gruesa SPR 220-7.0 (Megaposit) sobre un substrato plano utilizando la siguiente receta para el plato de espineado:
\vskip1.000000\baselineskip
tiempo (s) rpm aceleración
Paso 1 10 200 100
Paso 2 5 600 200
Paso 3 60 6000 500
Paso 4 6 0 500
Paso 5 0 0 1000 
\vskip1.000000\baselineskip
Si se presentan problemas de adhesión al substrato, ésta se puede mejorar aplicando previamente Primer S1818 (Shipley) y utilizando la receta de espineado descrita anteriormente. A continuación la fotorresina SPR 220-7.0 se extendió.
Una vez hemos depositamos la capa de 4 pm calentamos la oblea en rampa de 6ºC/min desde 30ºC hasta 115ºC. Una vez alcanzada la temperatura máxima de la rampa dejamos la oblea durante 2 minutos y después redujimos la temperatura en rampa natural hasta que bajó de los 80ºC. A continuación expusimos la oblea a rayos UV a fin de definir los soportes de las estructuras libres. La dosis total es de 1 J/cm^{2}. El revelado de las estructuras se realizó introduciendo la oblea en revelador MF-24A durante 4 minutos y agitando ligeramente. A continuación aclaramos la oblea en agua desionizada y la secamos.
A fin de evitar que el disolvente de la fotorresina estructural SU8-50 ataque a la SPR 220-7.0 sometimos a la fotorresina a un tratamiento térmico. Para ello calentamos la oblea en rampa de 60ºC/min hasta 150ºC. Una vez alcanzada la temperatura máxima de la rampa dejamos la oblea durante 60 minutos y después redujimos la temperatura en rampa natural hasta temperatura ambiente.
Las estructuras libres se definieron sobre los soportes extendiendo una capa de SU8-50 directamente sobre ellos. El procesado de la SU8-50 no se vio alterado por el procedimiento descrito.
Las estructuras en SU8-50 se liberaron durante el proceso de revelado, simplemente introduciendo la oblea en PGMEA. La SPR 220-7.0 se disolvió en contacto con dicho revelador. El procesado posterior de la SU8-50 no se vio alterado por este procedimiento.
Una vez definidos los canales 6 y las estructuras metálicas (4) y en voladizo en ambos sustratos fueron superpuestos y unidos mediante un proceso de sellado. Tradicionalmente el proceso estándar de sellado de la resina SU-8 consigo misma se realiza a una temperatura de 100ºC (F J Blanco, M Agirregabiria, J Garcia, J Berganzo, M Tijero, M T Arroyo, J M Ruano, I Aramburu and Kepa Mayora. Novel three dimensional embedded SU-8 microchannels fabricated using a low temperature full wafer adhesive bonding. Journal of Micromechanics and Microengeeniring 14 (2004) 1047-1056). En la figura 1 se muestra el esquema del proceso de fabricación. Este proceso se realizó en una herramienta de unión por fusión y presión, un Suss SB6 Bonder (Suss Microtech, Alemania). Primero las obleas se alinearon en el alienador Mask (MA6) y a continuación se transfirieron a la cámara de unión separadas por espaciadores. Posteriormente la cámara de unión fue evacuada a 10^{-3} mbar. Antes del contacto, dos calentadores (en el fondo y en la parte superior) calentaron uniformemente las obleas a una temperatura de entre 70 y 85ºC durante 3 minutos, permitiendo la evaporación de la humedad y evitando cualquier formación vacía. Después las obleas se pusieron en contacto y comenzó el calentamiento de las obleas a una temperatura de entre 80 a 120ºC aplicando una presión de entre 100 y 500 KPa durante 20 minutos.
Una vez finalizado el proceso de sellado, los dispositivos son sumergidos en un baño de IPA, y sometidos a ultrasonidos durante 1 minuto. Este baño cumple dos funciones, la de liberación de las capas de Kapton, PEB o Mylar de los sustratos rígidos y la limpieza de los dispositivos. Una vez liberados de los sustratos las capas de Kapton, PEB o Mylar son retiradas de los dispositivos de SU-8 manualmente, sin dañar las estructuras. Las estructuras de dispositivos quedaron libres en todo el sustrato, y los dispositivos pudieron ser cortados manualmente de una manera sen-
cilla.
Como resultado obtuvimos microcanales 6 (figura 2), rectangulares de una gran definición en comparación con otras tecnologías de fabricación de dispositivos microfluídicos en polímero.
Ejemplo 1 Chip de electroforesis
El proceso de fabricación descrito dio lugar a un dispositivo de electroforesis para separar proteínas. Estas biomoléculas contienen una carga neta y al aplicar una corriente eléctrica en el microcanal donde se encuentran, empiezan a moverse con diferente velocidad, según su tamaño y carga. De esta forma, se van separando. Esta técnica es muy utilizada en el campo de la proteómica en diversas aplicaciones como el diagnóstico de enfermedades o el descubrimiento de nuevas drogas. Este dispositivo, permite llevar a cabo estos análisis proteómicos de forma rápida y precisa, reduciendo los costes de los sistemas convencionales.
Tal y como se ve en la figura 5, el diseño de este dispositivo se basa en dos canales colocados en T y cuatro electrodos de platino colocados en cada una de las entradas (7 y 9) y salidas (8 y 10) de los canales. El microcanal vertical que empieza en la entrada 7 y termina en la salida 8 es el canal que se utiliza para inyectar electrocinéticamente la muestra. El microcanal horizontal que empieza en la entrada 9 y termina en la salida 10 es el canal sonde se separa la muestra.
La fabricación de este dispositivo se basó en el proceso descrito en los párrafos anteriores. De forma resumida, se puede decir que consistió en el sellado de dos sustratos de Kapton en los que previamente se habían definido las estructuras por fotolitografía. En primer lugar, en el sustrato de abajo, se polimerizó una capa continua de SU-8 de 20 micras. A continuación, se fabricaron los electrodos de platino mediante evaporación y ataque químico y encima de estos electrodos, se definieron los dos canales en T y las aperturas de los electrodos mediante otra fotolitografía de SU-8. Por otro lado, en el sustrato de arriba, se fabricaron las tapas de estos canales y las aperturas de los electrodos, utilizando el mismo proceso de fotolitografía. Finalmente, se sellaron los dos sustratos y se liberaron los dispositivos.
En la figura 6, se puede ver el resultado de la inyección y la separación de dos proteínas tras aplicar voltaje a través de los electrodos del dispositivo.
Ejemplo 2 Micro cánulas
Debido a la naturaleza de los procesos de fabricación se diseñaron micro cánulas con canales microfluídicos embebidos que permitieron la introducción de medicamentos directamente en los tejidos u órganos dañados. Estas micro-cánulas presentan grandes ventajas sobre las realizadas con otras tecnologías en Silicio o en otro tipo de polímeros. Debido al corte manual es posible realizar estructuras muy complejas y con una gran definición, la cual solo está limitada por la resolución del proceso de fotolitografía, que en un alienador comercial puede llegar a ser de unos cientos de nanómetros. En la figura 7 se puede ver un diseño de una micro cánula con el canal microfluidico que es cerrado con el proceso de sellado. Las estructuras que sujetan la micro cánula al sustrato tienen unas dimensiones de 100 micras de ancho. Estas estructuras pueden ser retiradas fácilmente de la micro cánula sin daño alguno al material. Las puntas de inserción fabricadas se muestran en la fotografía de microscopio electrónico figura 9a y figura 9b. Se pueden ver las salidas de los canales microfluídicos embebidos. Se ha realizado pruebas de inserción en materiales similares al tejido de algunos órganos del cuerpo humano, concretamente con gelatinas. Las puntas penetran fácilmente en la gelatina, y permiten dispensar líquidos al interior de las mismas.

Claims (16)

1. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos que comprende:
a)
depósito de una foto-resina polimérica termoendurecible (3) sobre dos sustratos de material polimérico (2) que cubren la superficie de dos sustratos independientes (oblea 1) y (oblea 1').
b)
fotolitografía a baja temperatura de las capas de foto-resina polimérica termoendurecible (3) depositadas en la etapa a)
c)
depósito de componentes tipo metálico en al menos una oblea
d)
micro-estructuración de los componentes metálicos depositados en la etapa c)
e)
depósito de una capa de foto-resina polimérica termoendurecible (3) sobre la oblea 1'
f)
fotolitografía y revelado a baja temperatura de la foto-resina polimérica termoendurecible depositada sobre la oblea 1'
g)
sellado a baja temperatura de las obleas 1 y 1' obtenidas mediante superposición de las mismas enfrentadas por la superficie de la foto-resina
h)
liberación de las estructuras micro-nanofluídicas de los sustratos de material polimérico biocompatible
i)
corte de los dispositivos
2. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según la reivindicación 1, donde la foto-resina polimérica depositada es una epoxi-resina.
3. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde la foto-resina polimérica depositada es SU-8.
4. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-3 donde la etapa a) se repite al menos una vez.
5. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde la fotolitografía a baja temperatura de la etapa b) se realiza a temperaturas comprendidas entre 80-95ºC.
6. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde existe una etapa previa a la etapa g) donde se realizan estructuras micro-mecánicas en voladizo.
7. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, donde el sellado de la etapa g) se realiza a temperaturas comprendidas entre 80º y 120ºC.
8. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 donde el sellado de la etapa g) se realiza a presiones comprendidas entre 100 y 500 KPas.
9. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde la liberación de las estructuras micro-nanofluídicas del la etapa h) se realiza mediante ultrasonidos en baño de alcohol.
10. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-9 donde el corte de los dispositivos micro-nanofluídicos de la etapa i) se realiza de forma manual.
11. Procedimiento para la fabricación de dispositivos micro-nanofluídicos según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, donde los dispositivos micro-nanofluídicos son micro-cánulas, micro-sondas, chips de electroforesis, chips de electrospray.
12. Dispositivo micro-nanofluídico obtenido por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, que comprende al menos un canal micro-nanofluídico, donde los canales y dimensiones en espesor del dispositivo están comprendidas entre 500 micras y 500 nanómetros.
13. Dispositivo micro-nanofluídico según la reivindicación 12, donde los canales micro-nanofluídicos comprenden unas dimensiones entre 5 y 500 micras de ancho y entre 1 y 500 micras de alto.
14. Dispositivo micro-nanofluídico según la reivindicación 13, donde los canales micro-nanofluídicos comprenden unas dimensiones entre 10 micras y 200 micras de alto.
15. Dispositivo micro-nanofluídico según cualquiera de las reivindicaciones 12-14, que comprende microcámaras con unas dimensiones de ancho comprendidas entre 1 y 5 mm y unas dimensiones de alto comprendidas entre 20 y 180 micras.
16. Uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 12-15 para la el diagnóstico clínico, la dispensación de medicamentos, extracción de líquidos, prótesis neurales, chips de electroforesis, microcánulas, microsondas.
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