非化学量論的チオール-エンポリマー
OSTE+ポリマーの硬化プロセスの例。1次硬化後と2次硬化後のポリマーのそれぞれの特性。

オフストイキオメトリーチオール-エンポリマーは、オフストイキオメトリーチオール-エン ( OSTE ) とオフストイキオメトリーチオール-エン-エポキシ ( OSTE+ ) から構成されるポリマープラットフォームです。

OSTEポリマーは、チオールとアリルの非化学量論的混合物から構成されます。通常はUVマイクロモールディングによって重合を完了させた後、ポリマー製品は表面とバルクの両方に、明確に定義された数の未反応のチオール基またはアリル基を含みます。これらの表面アンカーは、その後の直接的な表面改質または接着に使用することができます。[1]

後期型ではエポキシ モノマーが添加され、三元チオール-エン-エポキシモノマー系（OSTE+）が形成され、第二段階でエポキシが過剰のチオールと反応して、完全に不活性な最終ポリマー製品が生成される。[2] OSTE+ポリマーの重要な特徴としては、標準的な化学実験室で複雑な構造を簡単かつ迅速に製造できること、親水性のネイティブ表面特性、潜在性エポキシ化学による共有結合などが挙げられる。[3]

発達

OSTEポリマー樹脂は、もともとスウェーデン王立工科大学（KTH）のマイクロナノシステムグループ[4]のTommy HaraldssonとFredrik Carlborgによって、マイクロ流体デバイスの研究試作と商業生産の間のギャップを埋めるために開発されました[1]。その後、この樹脂はスウェーデンの新興企業Mercene Labs ABによってOSTEMERという名前で商業用途向けに改良されました。

反応機構

OSTE樹脂は、チオールとアリルの間の迅速なチオール-エン「クリック」反応によって硬化します。チオールとアリルは完全に交互に反応し、非常に高い転化率（最大99%）を有します[5]。モノマーの初期オフストイキオメトリー比は、重合後に残る未反応基の数を正確に決定します。適切なモノマーを選択することにより、優れた機械的特性を維持しながら、非常に高いオフストイキオメトリー比を達成できます[1] 。

非化学量論的チオール-エン-エポキシ（OSTE+）ポリマーは、2段階の硬化プロセスで生成されます。最初の急速なチオール-エン反応によってポリマーの幾何学的形状が決定され、過剰のチオールとエポキシは未反応のまま残ります。第二段階では、残りのチオール基とエポキシ基が反応して不活性ポリマーが形成されます。[6]

プロパティ

OSTEポリマー

マイクロシステムにおける UV 硬化 OSTE ポリマーの主な利点として、i) チオール過剰のポリマーとアリル過剰の 2 番目のポリマーを室温で UV 光のみを使用して反応させることによるドライ接合能力、ii) 表面に存在する表面アンカー (チオールまたはアリル) の数が明確かつ調整可能で、直接的な表面改質に使用できること[7]、iii) オフストイキオメトリーの選択のみに応じて、ゴム状から熱可塑性樹脂のような機械的特性まで広範囲に調整できること[8] [1] が挙げられます。ガラス転移温度は通常、オフストイキオメトリー比が高い場合は室温未満、テトラチオールとトリアリルのストイキオメトリー混合物の場合は 75 °C まで変化します。[9]これらは通常、可視範囲で透明です。 OSTEポリマーの欠点として、非常に高いオフストイキオメトリー比で未反応モノマーが浸出することが挙げられる。これはラボオンチップ内の細胞やタンパク質に影響を及ぼす可能性があるが[1] 、低いオフストイキオメトリーOSTEでの細胞培養では細胞生存率が観察されている。[10]

OSTE+ポリマー

デュアルキュアチオールエンエポキシ（OSTE+）ポリマーは、2つの独立した硬化ステップがある点でOSTEポリマーと異なります。最初のUV開始ステップの後、ポリマーはゴム状になり、容易に変形でき[11]、表面改質に利用できる表面アンカーがあります[12] 。2番目のステップでは、すべてのチオールとエポキシが反応すると、ポリマーは硬化し、エポキシ化学を介して、それ自体を含むさまざまな基板に結合できます。OSTE+の利点は、i)潜在的なエポキシ化学による統合および結合の独自の能力とチオールエンポリマーの低い内部応力[13] ii)最終硬化後の完全な不活性、iii)優れたバリア性[14]、および工業用反応射出成形を使用した製造のスケールアップの可能性です。[15] OSTE+ポリマーの硬質バージョンとゴム状バージョンの両方が実証されており、PDMSコンポーネントと同様にバルブやポンプ用のマイクロシステムでの使用が可能であることが示されていますが、より高い圧力に耐えられるという利点があります。[11] OSTE+ポリマーの市販バージョンであるOSTEMER 322は、多くの細胞株と互換性があることが示されています。[16]

製造

OSTEポリマー

OSTE樹脂は、構造化されたシリコーン型[1]またはコーティングされた永久フォトレジスト[17 ]で鋳造および硬化することができます。OSTEポリマーは、フォトマスクを使用した優れた光構造化能力も示しており[18] 、例えば強力で柔軟な毛細管ポンプを可能にします。[19]

OSTE+ポリマー

OSTE+ 樹脂は、最初に OSTE ポリマーと同じ方法で UV 硬化されますが、その後、熱硬化されて硬化し、基板に接着されます。

アプリケーション

ラボオンチップ

OSTE+ は、ソフトリソグラフィーによる微細構造化、ラボオンチップ(LoC) 製造中のほぼあらゆる基板への強力な生体適合性ドライボンディングを可能にすると同時に、熱可塑性ポリマーに見られる機械的特性を模倣することで、市販の LoC の真の試作を可能にします。[20]マイクロ流体工学で一般的に使用される材料は、特に生体機能化表面をパッケージングする場合に扱いにくい手順と効果のない結合プロセスに悩まされており、LoC の組み立てが困難でコストがかかります[21] [22] 9 種類の異なる種類の基板に効果的に結合し、室温での結合前の表面処理を必要とせず、高い Tg を特徴とし、少なくとも 100 °C まで良好な結合強度を実現します。[20]さらに、OSTE ポリマー上でフォトリソグラフィーを使用することで優れた結果が得られることが実証されており、より幅広い潜在的な用途が開かれています。[23]

バイオパッケージ

バイオセンサーは様々な生物学的測定に使用されています。[24] [25]

バイオセンシング用のOSTEパッケージングは​​、QCM [26]および光子リング共振器センサー[27]で実証されています。

ウェーハボンディング

接着ウェーハ接合は、微小電気機械システム（MEMS）の集積およびパッケージングアプリケーションにおいて確立された技術となっている。[28] OSTEは室温でも硬化できるため、低温プロセスでの適用に応じて、異種シリコンウェーハレベルの集積に適している。[29]

マイクロアレイインプリンティングと表面エネルギーパターニング

疎水性チオール-エンポリマーを用いた革新的な表面エネルギー複製手法を用いることで、疎水性マイクロウェル中に親水性マイクロウェルをインプリンティングするアレイの作製が可能となる。このポリマーでは、疎水性基を含むモノマーがインプリンティングスタンプの疎水性表面に自己組織化し、重合後に疎水性レプリカ表面が形成される。スタンプを除去すると、疎水性壁と親水性底面を持つマイクロウェルが得られる。このような迅速で安価な手法は、診断用途に向けたデジタルマイクロウェルアレイ技術に利用できる。[30] [31]

OSTE電子ビームレジスト

OSTE樹脂は電子ビームレジストとしても使用でき、タンパク質の直接的な機能化を可能にするナノ構造を形成する。[32]

参考文献

  1. ^ abcdef Carlborg, Carl Fredrik; Haraldsson, Tommy; Öberg, Kim; Malkoch, Michael; van der Wijngaart, Wouter (2011). 「PDMSを超えて：マイクロ流体デバイスのラピッドプロトタイピングのためのオフストイキオメトリーチオール–エン（OSTE）ベースのソフトリソグラフィー」. Lab on a Chip . 11 (18): 3136–47 . doi :10.1039/c1lc20388f. ISSN  1473-0197. PMID  21804987.
  2. ^ Saharil, Farizah; Carlborg, Carl Fredrik; Haraldsson, Tommy; van der Wijngaart, Wouter (2012). 「マイクロ流体デバイス向け生体適合性「クリック」ウェハボンディング」. Lab on a Chip . 12 (17): 3032–5 . doi : 10.1039/c2lc21098c. ISSN  1473-0197. PMID  22760578.
  3. ^ [1] ヴァステッソン、Proc. IEEE トランスデューサー 2013 バルセロナ、408-411 (2013)
  4. ^ [2] 2014年2月8日アーカイブ、Wayback Machine MICROFLUIDICS & LAB-ON-CHIP
  5. ^ Hoyle, Charles E. (2010). 「チオール-エンクリックケミストリー」. Angewandte Chemie International Edition . 49 (9): 1540– 1573. doi :10.1002/anie.200903924. PMID  20166107.
  6. ^ [3] サハリル、マイクロメカニクスとマイクロエンジニアリングジャーナル23、025021（2013）
  7. ^ [4] 2014年3月1日アーカイブ、Wayback Machine BIOMICROFLUIDICS 6, 016505 (2012)
  8. ^ [5] ラフルール、アナリスト 138、845-849 (2013)
  9. ^ [6] 2014年3月1日アーカイブ、Wayback Machine OSTE+公式データシート
  10. ^ [7] Errando-Herranz、Proc. MicroTAS 2013 フライブルク、(2013)
  11. ^ ab [8] ハンソン、IEEE MEMS 2014サンフランシスコ大会（2014年）
  12. ^ [9] 周, Proc. MicroTAS 2013 Freiburg, (2013)
  13. ^ ホイル, チャールズ E. (2004). 「チオール-エン：過去の化学と未来への希望」. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry . 42 (21): 5301– 5338. Bibcode :2004JPoSA..42.5301H. doi :10.1002/pola.20366.
  14. ^ [10] サハリル、マイクロメカニクスとマイクロエンジニアリングジャーナル23、025021（2013）
  15. ^ Sandström, N; Shafagh, RZ; Vastesson, A; Carlborg, CF; Wijngaart, W van der; Haraldsson, T (2015). 「反応射出成形とOSTE+ポリマーマイクロ流体デバイスの直接共有結合」. Journal of Micromechanics and Microengineering . 25 (7) 075002. Bibcode :2015JMiMi..25g5002S. doi :10.1088/0960-1317/25/7/075002. S2CID  53682690.
  16. ^ Sticker, Drago; Rothbauer, Mario; Lechner, Sarah; Hehenberger, Marie-Therese; Ertl, Peter (2015-11-24). 「チオール-エンエポキシ熱硬化性樹脂のレプリカ成形に基づく多層膜統合型マイクロ流体デバイスによるオルガンオンチップ応用」. Lab Chip . 15 (24): 4542– 4554. doi :10.1039/c5lc01028d. ISSN  1473-0189. PMID  26524977.
  17. ^ Fredrik, Carlborg, Carl; M., Cretich; Tommy, Haraldsson; L., Sola; M., Bagnati; M., Chiari; Wouter, van der Wijngaart (2011-01-01). Biosticker: マイクロアレイへの迅速な統合を可能にするパターン化マイクロ流体ステッカー. 第15回化学・生命科学のための小型システムに関する国際会議. pp.  311– 313.{{cite conference}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  18. ^ ヒルメリング、ミカエル;許してください、ガスパール。ヴァステソン、アレクサンダー。スペカル、オムカル。カールボーグ、カール・フレドリック。ブランドナー、ビルギット D.ワインガート、ウーター・ファン・デル。ハラルソン、トミー (2016-02-15)。 「非化学量論は、拡散誘起モノマー枯渇を通じてチオールエンの光構造化を改善します。」マイクロシステムとナノエンジニアリング。2 : 15043.土井:10.1038/micronano.2015.43. ISSN  2055-7434。PMC 6444721。PMID  31057810。 
  19. ^ Hansson, Jonas; Yasuga, Hiroki; Haraldsson, Tommy; Wijngaart, Wouter van der (2016-01-05). 「合成マイクロ流体ペーパー：高表面積・高多孔性ポリマーマイクロピラーアレイ」. Lab Chip . 16 (2): 298– 304. doi :10.1039/c5lc01318f. ISSN  1473-0189. PMID  26646057.
  20. ^ ab Saharil, Farizah; Carlborg, Carl Fredrik; Haraldsson, Tommy; Van Der Wijngaart, Wouter (2012). 「マイクロ流体デバイス向け生体適合性「クリック」ウェハボンディング」. Lab on a Chip . 12 (17): 3032– 3035. doi :10.1039/C2LC21098C. PMID  22760578.
  21. ^ Eddings, Mark A.; Johnson, Michael A.; Gale, Bruce K. (2008). 「マイクロ流体デバイスに最適なPDMS-PDMS接合技術の決定」 . Journal of Micromechanics and Microengineering . 18 (6). doi :10.1088/0960-1317/18/6/067001.
  22. ^ Kalkandjiev, K.; Riegger, L.; Kosse, D.; Welsche, M.; Gutzweiler, L.; Zengerle, R.; Koltay, P. (2011). 「シリコン／ポリマー技術におけるマイクロ流体：シリコン／ガラスのコスト効率の高い代替手段として」(PDF) . Journal of Micromechanics and Microengineering . 21 (2) 025008. Bibcode :2011JMiMi..21b5008K. doi :10.1088/0960-1317/21/2/025008.
  23. ^ Pardon, Gaspard; Saharil, Farizah; Karlsson, J. Mikael; Supekar, Omkar; Carlborg, Carl Fredrik; Van Der Wijngaart, Wouter; Haraldsson, Tommy (2014). 「堅牢かつ空間的に指向された表面改質によるマイクロ流体デバイスの迅速な金型フリー製造」. Microfluidics and Nanofluidics . 17 (4): 773– 779. doi :10.1007/s10404-014-1351-9.
  24. ^ [11] 2014年5月10日アーカイブ、Wayback MachineよりHomola, Chemical Reviews, 108 (2), 462–493, 2008
  25. ^ [12] カールボーグ、Proc. MicroTAS 2011 シアトル、311-313 (2011)
  26. ^ [13] サンドストローム、Proc. IEEE トランスデューサー 2011 北京、2778-2781 (2011)
  27. ^ [14] エランド＝ヘランツ、Opt.エクスプレス 21、21293 (2013)
  28. ^ [15] Niklaus F, Stemme G, Lu JQ, Gutmann RJ 2006 接着ウェーハ接合 J. Appl. Phys. 99 03110
  29. ^ [16] [永久リンク切れ] Forsberg, Journal of Micromechanics and Microengineering 23, 085019 (2013)
  30. ^ Decrop, Deborah; Pardon, Gaspard; Shafagh, Reza; Spacic, Dragana; van der Wijngaart, Wouter; Lammertyn, Jeroen; Haraldsson, Tommy (2017). 「フェムトリットルマイクロウェルアレイへのシングルステップインプリンティングにより、アトモル検出限界でのデジタルバイオアッセイが可能に」 . ACS Applied Materials & Interfaces . 9 (12): 10418– 10426. doi :10.1021/acsami.6b15415. PMID  28266828.
  31. ^ シャファー、レザ;デクロップ、デボラ。ヴェン、カレン。アルノ、ヴァンダーベーケ。ハヌサ、ロバート。許してください、ガスパール。トミー・ハラルドソン。ラマーティン、ジェローン。ファン・デル・ワインガート、ワウター（2019）。 「疎水性フェムトリットルウェル内親水性アレイの反応射出成形」。マイクロシステムとナノエンジニアリング。5 (25): 25。Bibcode :2019MicNa...5...25Z。土井：10.1038/s41378-019-0065-2。PMC 6545322。PMID  31231538。 
  32. ^ シャファー、レザ;ヴァステソン、アレクサンダー。郭、ウェイジン。ファン・デル・ワインガート、ワウター。トミー・ハラルドソン (2018)。 「チオールエンレジストの電子ビームナノ構造化とダイレクトクリック生体機能化」。ACSナノ。12 (10): 9940–9946。土井:10.1021/acsnano.8b03709。PMID  30212184。S2CID 52271550  。
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