ITVR20130259A1 - Metodo per la produzione di dispositivi lab-on-a chip - Google Patents

Description

METODO PER LA PRODUZIONE DI DISPOSITIVI LAB-ON-A-CHIP.

La presente invenzione è relativa ad un metodo per la produzione di dispositivi Labon-a-chip.

Nella descrizione che segue, con i termini dispositivo Lab-On-a-Chip o dispositivo LOC si intende un dispositivo che può integrare funzioni di laboratorio miniaturizzate, ad esempio separazione e analisi dei componenti di una soluzione liquida, all’interno di un singolo chip del tipo microprocessore, usando volumi estremamente ridotti di liquido da analizzare; un dispositivo LOC pertanto combina sistemi di rilevazione miniaturizzati, concetti di controllo del flusso derivati dalla microfluidica, e tecniche di microfabbricazione tridimensionale, quali ad esempio litografia ed etching chimico proprie dell’industria dei semiconduttori.

In particolare, l’invenzione in oggetto viene vantaggiosamente impiegata nella produzione di dispositivi LOC utilizzando un unico processo di produzione consolidato, simile a quello di produzione di substrati polimerici quali CD, DVD, Blu-Ray Disc e simili.

Lo scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire un metodo di produzione di dispositivi LOC idonei all’impiego in quelle applicazioni che necessitano dell’individuazione di molecole biologiche e non biologiche all’interno di campioni liquidi o gassosi, ad esempio nei settori della ricerca medica e farmacologica, della diagnostica umana o veterinaria, della sicurezza agroalimentare, ambientale (esplosivistica) e del lavoro, ed in grado di contenere unicamente elementi microfluidici (canali, spirali, serpentine, miscelatori, reservoirs, camere di coltura), oppure unicamente elettrodi metallici, oppure ibridi ovvero con sia elementi microfluidici che elettrodi integrati nei medesimi dispositivi.

Le caratteristiche strutturali e funzionali della presente invenzione e i suoi vantaggi nei confronti della tecnica conosciuta risulteranno ancora più chiari ed evidenti dalle rivendicazioni sottostanti, ed in particolare da un esame della descrizione che segue, riferita ai disegni allegati, che mostrano le schematizzazioni di alcune preferite ma non limitative forme di attuazione del metodo in oggetto e dei dispositivi così prodotti, in cui:

- la figura 1 rappresenta con una schematizzazione a blocchi una prima forma di attuazione del metodo in oggetto;

- la figura 2 rappresenta con una schematizzazione a blocchi una seconda forma di attuazione del metodo in oggetto;

- la figura 3 rappresenta con una schematizzazione a blocchi una terza forma di attuazione del metodo in oggetto;

- le figure 4a-5d rappresentano in relative viste prospettiche di elementi impiegati per l’attuazione del metodo schematizzato nella figura 1 e nella figura 3; - la figura 6 è un dispositivo prodotto con il metodo schematizzato nella figura 1;

- le figure 7a-7i mostrano in scala ingrandita al microscopio alcuni esempi di elementi microfluidici ottenuti con il metodo schematizzato nella figura 1;

- la figura 8 è una rappresentazione schematica di un’unità di tipo noto per il trasporto di supporti polimerici;

- le figure 9a-9l rappresentano in rispettive viste prospettiche degli elementi modificati per l’attuazione del metodo schematizzato nella figura 3;

- le figure 10a-10j mostrano in viste prospettiche alcuni componenti attuativi del metodo schematizzato nella figura 2 e nella figura 3;

- le figure 11a-11k mostrano alcuni esempi di dispositivi, e relativi componenti di realizzazione, ottenuti con il metodo schematizzato nella figura 2 e nella figura 3; - le figure 12a-12f sono immagini di dispositivi ottenuti con il metodo in oggetto alla presente invenzione.

Il metodo in oggetto alla presente invenzione prevede di realizzare dispositivi LOC attraverso l’impiego di linee note di produzione, ma opportunamente modificate come specificato nel seguito, di supporti o dischi polimerici quali CD, DVD e simili.

Con riferimento alla figura 1, la prima forma di attuazione del metodo in oggetto prevede di realizzare dispositivi LOC con soli elementi microfluidici (“discs with microfluidics”) e comprende la necessaria fase di modificare gli stampi metallici o stamper per la fase di replica molding (ovvero per ottenere negativi a partire dagli stamper stessi) inserendovi delle strutture in rilievo che andranno a creare sul disco le canalizzazioni microfluidiche.

Gli stamper sono preferibilmente modificati anche al fine di creare sul disco degli elementi fisici di allineamento, che sono utili per ricavare automaticamente dal disco i vari dispositivi LOC (utilizzando ad esempio una fresatrice di precisione a controllo numerico oppure una fustellatrice a caricamento automatico). Per tale forma di attuazione, le normali e note fasi di metallizzazione e resinatura proprie del processo produttivo di CD/DVD vengono ignorate.

In generale, le linee di produzione di dischi CD/DVD note sono dotate di presse denominate E-MOULD per injection molding: questa tipologia di presse lavora direttamente il granulato di policarbonato (es. MAKROLON), scaldandolo progressivamente fino alla temperatura di fusione, per iniettarlo quindi in una pressa meccanica di precisione. Il granulato viene raccolto automaticamente in un primo collettore riscaldato, per poi essere trasferito in sei successivi stadi a differenti temperature prima di poter essere iniettato nella pressa. Anche la temperatura delle due facce della pressa viene controllata dal sistema, in quanto rappresenta un’importante parametro del processo di produzione.

In accordo con il metodo in oggetto, gli stamper che andranno alloggiati nella pressa per injection molding vengono appositamente modificati per creare dei dischi polimerici microfluidici.

Lo stamper modificato presenta sia il layout delle canalizzazioni che verrà inciso sui supporti, che gli elementi necessari a creare i riferimenti per l’allineamento: infatti, con riferimento alle figure da 4a a 4c, sulla superficie dello stamper sono riportati in rilievo sia la forma dei canali microfluidici che degli elementi di altezza maggiore adibiti alla modifica del profilo dei supporti.

Lo stamper modificato viene realizzato, ad esempio, tramite processi industriali di fotoincisione e fototranciatura chimica, con dimensioni compatibili con le presse (ovverosia diametro interno 34 mm, diametro esterno 138 mm e spessore 300 micrometri). È costituito di materiale a elevata durezza (ad esempio nickel-vanadio o acciaio al carbonio) lavorato con tecniche di litografia a raggi ultravioletti e chemical etching su deposizioni successive di diversi photoresist.

Altre modalità di produzione di uno stamper modificato per la creazione di supporti microfluidici, contenenti anche fori passanti, si basano su attacchi consecutivi di chemical etching su un tradizionale stamper liscio, sull’incollaggio o la saldatura delle strutture metalliche in rilievo su una superficie metallica liscia, oppure sulla lavorazione di un pezzo di metallo liscio con, ad esempio, delle microfrese di precisione per creare le scanalature o le strutture in rilievo desiderate.

In uso, secondo il processo produttivo noto, la pressa per injection molding spinge lo stamper dinamico contro la faccia statica, che svolge la funzione di secondo stamper, e al momento opportuno la macchina inietta del policarbonato fuso nell’intercapedine che si crea tra i due stamper affacciati. In questa fase, il supporto polimerico viene formato sia con le canalizzazioni microfluidiche che con gli elementi di allineamento: come illustrato nelle Figure 4a, 4b, 4c e 5a, 5b e 5c, gli elementi di allineamento possono essere creati da uno stamper dinamico oppure, tramite apposita modifica, da uno stamper statico.

Dopo che il polimero ha invaso lo spazio tra le due facce, viene raffreddato e sottoposto a opportune pressioni meccaniche dalla pressa automatizzata. A questo punto la pressa separa le due facce, scoprendo il disco appena formato (figura 6) e permettendo a un braccio robotico a suzione di prelevarlo e depositarlo quindi su un nastro trasportatore (figura 8) che lo condurrà alla fase di metallizzazione finale. Le figure da 7a a 7i mostrano esempi di canalizzazioni microfluidiche ottenute con il metodo schematizzato nella figura 1 e con i seguenti parametri:

• materiale dello stamper: nickel/vanadio;

• altezza nominale delle canalizzazioni (stamper): 30 micrometri;

• temperatura dello stamper statico: 45 – 55 °C;

• temperatura dello stamper dinamico: 45 – 55 °C;

• temperatura di iniezione: 330 – 370 °C;

• tempo di raffreddamento del disco: 2.2 – 3 secondi.

Con riferimento alla figura 2, la seconda forma di attuazione del metodo in oggetto prevede di realizzare dispositivi LOC con soli elettrodi metallici (“discs with microelectrodes”) comprende la necessaria fase di modificare la camera di metallizzazione inserendovi un’opportuna maschera metallica di prefissata configurazione che andrà a trasferire sulla superficie del disco polimerico la geometria desiderata per gli elettrodi.

Come per metodo di cui alla figura 1 sopradescritto, gli stamper per replica molding sono preferibilmente modificati al fine di creare sul disco degli elementi fisici di allineamento utili in fase di finalizzazione dei dispositivi LOC. Nel caso più generale di tale metodologia di fabbricazione, la fase di stampaggio per replica molding viene eseguita con stamper tradizionali noti, e la fase di resinatura viene ignorata.

In generale, le linee di produzione di dischi CD/DVD note sono dotate di un in-line plasma sputter (ovvero un processo di metalizzazione con emissione di atomi, ioni, o frammenti molecolari) con cui i dischi vengono metallizzati utilizzando elementi o target di alluminio, argento oppure oro a elevata purezza: il target consiste in un blocco di materiale di forma toroidale che viene alloggiato fra una inner mask centrale e una outer mask esterna (figure da 10e a 10j).

Secondo il metodo in oggetto, il layout delle piste metalliche sulla superficie del disco polimerico viene definito utilizzando specifiche maschere di prefissata configurazione che consentono oppure schermano il flusso di ioni metallici che si genera fra il catodo e l’anodo all’interno della camera di sputter: in questo modo le geometrie presenti sulla maschera determinano l’effettiva distribuzione della metallizzazione sulla superficie del disco di policarbonato.

Le maschere da sputter (figure 10a e 10b) vengono realizzate in metalli quali acciaio e rame, con spessori tipicamente variabili fra 50 e 300 micrometri, utilizzando processi industriali noti di fototranciatura chimica.

Nelle maschere, oltre al layout degli elettrodi, vengono incisi anche degli elementi di allineamento che ne consentono la corretta applicazione all’outer mask e il corretto posizionamento all’interno della camera da sputter. L’applicazione delle maschere può essere eseguita manualmente, con l’aiuto degli elementi di riferimento incisi, oppure in generale è possibile utilizzare outer mask modificate per intervenire opportunamente sulla distribuzione della metallizzazione (figure da 10e a 10h). Se la maschera deve essere applicata a una outer mask del target metallico già esistente, possono essere utilizzati nastro adesivo sottile o colla resistenti alle alte temperature, e gli elementi di allineamento incisi lungo la circonferenza esterna della maschera permettono di centrarla rispetto al target. Ogni volta che il sistema avvia la metallizzazione di un disco, la maschera scherma il flusso di ioni metallici permettendo il trasferimento della geometria incisa sulla maschera direttamente sulla superficie del substrato polimerico (figure 10g-10j).

I parametri della metallizzazione modificata attraverso il metodo in oggetto (figure 11a-11c) sono ad esempio i seguenti:

• materiale della maschera: rame;

• spessore della maschera: 300 micrometri;

• tipo di target: alluminio;

• densità ottica della metallizzazione:500 – 2500.

Con riferimento alla produzione di DVD, ulteriori modifiche al tradizionale processo di produzione si rendono necessarie.

La prima di tali modifiche riguarda l’utilizzo di un anello di compensazione inserito nella camera da sputter: come schematizzato nella figura 11i, quando la camera si chiude per iniziare il processo di metallizzazione, il disco si trova all’interno di un apposito disc receiver che lo espone al flusso di ioni metallici. L’occupazione di spazio aggiuntiva dovuta alla maschera da sputter influisce negativamente sulla qualità e sulla nitidezza delle tracce metallizzate, in quanto la maschera tende a premere eccessivamente sul disco inficiandone la planarità.

Per questo motivo si utilizza un anello di compensazione (figure 11j e 11k) costituito di materiale plastico (ad esempio PVC) oppure di metallo (rame o acciaio) di spessore variabile fra 300 micrometri e 1200 micrometri, che permette al disco di rimanere planare durante la fase di metallizzazione.

La seconda modifica da introdurre producendo DVD è legata al particolare pattern di corrente applicato dal metallizzatore: si prevede infatti un impiego di corrente, e quindi di potenza, molto superiore a quanto accade per i CD, il che si traduce in una maggiore temperatura iniziale all’interno della camera da sputter. Per questo motivo è necessario introdurre un tempo di ritardo di circa 20 secondi fra una metallizzazione e la successiva, al fine di permettere alla maschera da sputter di raffreddarsi. Il valore del tempo di ritardo è funzione sia del materiale di cui è costituita la maschera che dal suo spessore: ad esempio, per questa applicazione il rame è preferibile all’acciaio in quanto ha una maggiore conducibilità termica e quindi un minore tempo di raffreddamento. Sulla base della pratica, 15 – 20 secondi sono sufficienti per raffreddare una maschera da sputter di rame spessa 300 micrometri.

Il tipo di lavorazione del metallo utilizzato nella realizzazione delle maschere da sputter riveste una particolare importanza nella quantità di metallizzazioni realizzabili in serie: è necessario infatti che la superficie della maschera non sia del tutto liscia, ma presenti una rugosità superficiale tale da intrappolare gli atomi di metallo schermati. Tale tipo di rugosità è ottenibile, ad esempio attraverso un comune processo di sabbiatura. Se la superficie della maschera è troppo liscia, il metallo schermato crea dei filamenti che vanno ad ostruire i fori passanti che definiscono il pattern degli elettrodi. È necessario quindi andare a fermare il processo di produzione, aprire la camera dello sputter e pulire la maschera, diminuendo di molto il tasso medio di produzione orario della linea di produzione.

Con riferimento alla figura 3, la terza forma di attuazione del metodo in oggetto prevede di realizzare dispositivi LOC ibridi, ovvero con elettrodi metallici integrati nelle strutture microfluidiche (“discs with hybrid structures”), e si avvale pertanto sia della modifica relativa agli stamper per replica molding, cioè la creazione sullo stamper del negativo delle strutture da trasferire sul disco come sopradescritto, che di quella della camera di metallizzazione, ovvero l’inserimento della maschera da sputter per definire il pattern degli elettrodi, come sopradescritto.

In aggiunta a tali modifiche, lo stamper per replica molding deve creare sul disco dei riferimenti fisici che ne consentano il controllo della posizione dopo lo stampaggio, e di conseguenza anche i perni presenti sul nastro di trasporto devono essere modificati in accordo ai riferimenti creati sul disco. In questo modo è possibile mantenere il disco in una posizione controllata e creare degli elettrodi posizionati con precisione rispetto alle strutture microfluidiche impresse nel disco. Come nei precedenti processi, la nota fase di resinatura viene bypassata.

Specificatamente, secondo quanto illustrato nelle figure4a, 4b, 4c e 5a, 5b, 5c, la modifica proposta nel metodo in oggetto prevede di utilizzare stamper appositamente creati per formare supporti polimerici contenenti delle strutture passanti di riferimento, o di allineamento, e di modificare coerentemente i perni plastici di trasporto, aggiungendovi dei bracci in grado di sfruttare i riferimenti del disco per accoglierlo in modo univoco (figure 9a-9l).

Le figure 9a-9c riportano un esempio di perno di supporto modificato in grado sia di sostenere centralmente il disco che di alloggiarlo in una specifica posizione sfruttando un unico foro passante di allineamento. Il braccetto collegato al corpo centrale del supporto termina in una struttura cilindrica o a tronco di cono di altezza variabile fra 0.3 – 0.5 millimetri oppure 0.6 – 1.1 millimetri, in funzione che si tratti di un processo DVD o CD, rispettivamente. La possibilità di creare dei perni secondari di allineamento con le pareti inclinate, in generale di tipo piramidale, consente di gestire al meglio la fase di caduta del supporto polimerico dal braccio robotizzato di estrazione dalla pressa di replica molding: infatti, in questo modo è possibile sfruttare le strutture passanti di riferimento del disco come delle guide per alloggiarlo in modo stabile, controllabile e riproducibile sui perni di trasporto modificati. La posizione angolare, quindi l’orientamento, imposto ai dischi dalle strutture passanti di riferimento si propaga a tutta la linea di produzione, grazie ai perni modificati e alle successive fasi di caricamento e movimentazione robotizzate.

Analogamente a quanto sopradescritto per il metodo schematizzato nelle figure 1 e 2, anche in questo caso l’allineamento dei dischi può essere ottenuto utilizzando stamper che creino le strutture passanti di riferimento lungo la circonferenza esterna del disco. In questa configurazione i perni secondari offrono un grado di libertà ulteriore, consentendo con la loro geometria tridimensionale di imprimere una rotazione controllata al supporto polimerico durante il suo rilascio da parte del braccio robotico della pressa: infatti, sfruttando la caduta del disco e l’inclinazione di una faccia dei perni secondari è possibile ruotare passivamente i supporti di angoli variabili fra zero e 90° rispetto alla posizione definita dalla pressa e dal suo braccio robotico di svuotamento (figure 9j-9l).

Al fine di più ampia compatibilità con le diverse linee di produzione note, è preferibile utilizzare da uno a tre elementi di riferimento creati a una distanza massima dal centro del disco di circa 2.5 – 3.5 centimetri, disposti lungo quella che diverrà la direzione di movimentazione dei perni sul nastro trasportatore.

Nel caso in cui l’ingombro spaziale della struttura di sostegno sia un fattore critico, è possibile andare a modificare lo stamper per variare il foro centrale del disco (figure 4a-4c), conferendogli una forma che consenta l’allineamento: come schematizzato nelle figure 9h-9i, in questo caso è sufficiente andare a modificare il perno centrale affinché possa inserirsi in modo univoco nell’elemento di riferimento, senza aggiungere bracci secondari al corpo principale.

In conclusione, attraverso le modifiche proposte al processo di produzione CD/DVD è possibile produrre dispositivi che integrano canalizzazioni microfluidiche ed elettrodi metallici all’interno di un unico, consolidato, processo industriale.

Tali dispositivi “ibridi” possono implementare differenti tipi di sensori e biosensori per applicazioni

chimiche, elettrochimiche, biologiche e biomediche.

Secondo quanto illustrato nelle figure 12a-12f, con il metodo in oggetto si realizzano pertanto dispositivi LOC microelettronici/microfluidici ottenuti tramite linee di produzione di CD/DVD la capacità di creare differenti layout per le canalizzazioni fluidiche consente di manipolare in vari modi i ridotti volumi di campione da analizzare (ad esempio mescolandoli oppure separandoli), che vengono quindi convogliati direttamente sugli elettrodi collegati alla strumentazione elettrochimica esterna, ad esempio per spettroscopie di impedenza elettrochimica, voltammetrie cicliche, e amperometrie.

In sostanza, con i dispositivi LOC ottenuti è quindi possibile realizzare misure elettrochimiche in flusso e non (es. rilevazione amperometrica di specifici analiti bersaglio, figure 12a e 12d), il monitoraggio del processo di accoppiamento o coniugazione di molecole complementari o interagenti (es. ibridazione di catene di DNA, figure 12b e 12e) e la manipolazione di materiale biologico appositamente accresciuto nelle camere di coltura realizzate su disco (es. modificazione tramite campo elettromagnetico dell’orientazione spaziale di molecole polari o elettroporazione di cellule, figure 12c e 12f).

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la produzione di Lab-On-a-Chip o LOC, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di applicare i detti LOC su supporti polimerici a disco.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti LOC sono microfluidici; la detta applicazione dei detti microfluidici venendo realizzata attraverso una fase di modifica di stampi metallici per realizzare i detti microfluidici sui detti supporti.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i detti stampi metallici presentano delle canalizzazioni e/o degli elementi in rilievo atti alla modifica del profilo dei detti supporti.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti LOC sono elettrodi; la detta applicazione dei detti elettrodi venendo realizzata attraverso una fase di modifica di una camera di metallizzazione per inserire almeno una maschera metallica di prefissata configurazione atta a trasferire sulla superficie dei detti supporti la geometria desiderata per i detti elettrodi
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti LOC sono ibridi e comprendono microfluidici ed elettrodi; la detta applicazione dei detti ibridi venendo realizzata attraverso una fase di modifica di stampi metallici per realizzare i detti microfluidici sui detti supporti polimerici, ed una fase di modifica di una camera di metallizzazione per inserire almeno una maschera metallica di prefissata configurazione atta a trasferire sulla superficie dei detti supporti la geometria desiderata per i detti elettrodi.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre l’ulteriore fase di modificare mezzi di supporto e trasporto dei detti supporti per definire elementi atti a formare riferimenti di accoglimento univoco dei detti supporti.