Impresión por microcontacto

La impresión por microcontacto (o μCP ) es una forma de litografía blanda que utiliza los patrones en relieve de un sello maestro de polidimetilsiloxano (PDMS) o un microsello de caucho de uretano ^[1] para formar patrones de monocapas autoensambladas (SAM) de tinta en la superficie de un sustrato a través del contacto conforme, como en el caso de la impresión por nanotransferencia (nTP). ^[2] Sus aplicaciones son muy variadas e incluyen la microelectrónica , la química de superficies y la biología celular .

Tanto la litografía como la impresión de sellos existen desde hace siglos. Sin embargo, la combinación de ambas dio origen al método de impresión por microcontacto. El método fue introducido por primera vez por George M. Whitesides y Amit Kumar en la Universidad de Harvard . ^{[ cita requerida ]} Desde sus inicios, se han explorado muchos métodos de litografía blanda.

La creación del máster, o plantilla, se realiza mediante técnicas tradicionales de fotolitografía . El máster se crea normalmente en silicio , pero se puede hacer en cualquier superficie sólida con un patrón. Se aplica fotorresistencia a la superficie y se le da un patrón mediante una fotomáscara y luz ultravioleta . A continuación, el máster se hornea, se revela y se limpia antes de su uso. En los procesos típicos, la fotorresistencia suele conservarse en la oblea para utilizarla como plantilla topográfica para el sello. Sin embargo, las regiones de silicio desprotegidas se pueden grabar y quitar la fotorresistencia, lo que dejaría una oblea con un patrón para crear el sello. Este método es más complejo, pero crea una plantilla más estable.

Después de la fabricación, el máster se coloca en un recipiente con paredes, normalmente una placa de Petri , y el sello se vierte sobre el máster.

El sello de PDMS, en la mayoría de las aplicaciones, es una proporción de 10:1 de elastómero de silicona y un agente de curado de elastómero de silicona . Esta mezcla consta de un reticulante de hidrosilano corto que contiene un catalizador hecho a partir de un complejo de platino . Después del vertido, el PDMS se cura a temperaturas elevadas para crear un polímero sólido con propiedades elastoméricas. A continuación, el sello se despega y se corta al tamaño adecuado. El sello replica lo opuesto del original. Las regiones elevadas del sello corresponden a las regiones con sangrías del original.

Existen algunos servicios comerciales para la adquisición de sellos PDMS y muestras microestampadas, como Research Micro Stamps. ^[3]

El entintado del sello se realiza mediante la aplicación de una solución de tiol , ya sea por inmersión o cubriendo el sello con un hisopo. El material PDMS altamente hidrófobo permite que la tinta se difunda en la mayor parte del sello, lo que significa que los tioles residen no solo en la superficie, sino también en la mayor parte del material del sello. Esta difusión en la mayor parte crea un depósito de tinta para múltiples impresiones. El sello se deja secar hasta que no se vea ningún líquido y se crea un depósito de tinta .

La aplicación del sello al sustrato es sencilla y directa, lo que constituye una de las principales ventajas de este proceso. El sello se pone en contacto físico con el sustrato y la solución de tiol se transfiere a este último. El tiol se transfiere a la superficie de forma selectiva según las características del sello. Durante la transferencia, las cadenas de carbono del tiol se alinean entre sí para crear una monocapa autoensamblable hidrófoba (SAM).

La impresión del sello sobre el sustrato, aunque no se utiliza con tanta frecuencia, también puede realizarse con un sello rodante sobre un sustrato plano o con un sustrato curvo con un sello plano.

La impresión por microcontacto tiene varias ventajas, entre ellas:

• La simplicidad y facilidad de crear patrones con características a microescala.
• Se puede realizar en un laboratorio tradicional sin el uso constante de una sala limpia (la sala limpia solo se necesita para crear el máster).
• Se pueden crear varios sellos a partir de un único sello maestro.
• Los sellos individuales se pueden utilizar varias veces con una degradación mínima del rendimiento.
• Una técnica de fabricación más económica que utiliza menos energía que las técnicas convencionales.
• Algunos materiales no tienen otro método de microestampado disponible ^[4]

Después de que esta técnica se hizo popular, surgieron varias limitaciones y problemas que afectaron la creación de patrones y la reproducibilidad.

Durante el contacto directo, se debe tener cuidado porque el sello puede deformarse fácilmente, lo que provoca que las características impresas sean diferentes a las del sello original. Estirar o comprimir horizontalmente el sello provocará deformaciones en las características en relieve y en hueco. Además, aplicar demasiada presión vertical sobre el sello durante la impresión puede provocar que las características en relieve se aplanen contra el sustrato. Estas deformaciones pueden producir características submicrónicas aunque el sello original tenga una resolución inferior.

La deformación del sello puede ocurrir durante la extracción del máster y durante el proceso de contacto con el sustrato. Cuando la relación de aspecto del sello es alta, puede producirse el pandeo del sello. Cuando la relación de aspecto es baja, puede producirse el derrumbe del techo.

Durante el proceso de curado, es posible que queden fragmentos sin curar y contaminen el proceso. Cuando esto ocurre, la calidad del SAM impreso disminuye. Cuando las moléculas de tinta contienen ciertos grupos polares, aumenta la transferencia de estas impurezas.

Durante el proceso de curado, el sello puede potencialmente encogerse en tamaño dejando una diferencia en las dimensiones deseadas del patrón del sustrato.

También puede producirse una hinchazón del sello. La mayoría de los disolventes orgánicos inducen la hinchazón del sello de PDMS. El etanol, en particular, tiene un efecto de hinchazón muy pequeño, pero muchos otros disolventes no pueden utilizarse para entintar en húmedo debido a su alta hinchazón. Por este motivo, el proceso se limita a las tintas apolares que son solubles en etanol.

La difusión de la tinta desde el PDMS a la superficie se produce durante la formación del patrón SAM en el sustrato. Esta movilidad de la tinta puede provocar una propagación lateral hacia regiones no deseadas. Al transferirla, esta propagación puede influir en el patrón deseado.

Dependiendo del tipo de tinta utilizada y del sustrato posterior, la técnica de impresión por microcontacto tiene muchas aplicaciones diferentes.

La impresión por microcontacto tiene grandes aplicaciones en el micromecanizado . Para esta aplicación, las soluciones de tinta suelen consistir en una solución de alcanotiol . ^[5] Este método utiliza sustratos metálicos, siendo el oro el metal más común . Sin embargo, se ha demostrado que la plata , el cobre y el paladio también funcionan.

Una vez que la tinta se ha aplicado al sustrato, la capa SAM actúa como una resistencia a las técnicas comunes de grabado húmedo , lo que permite la creación de patrones de alta resolución. La capa SAM con patrones es un paso en una serie de pasos para crear microestructuras complejas. Por ejemplo, aplicar la capa SAM sobre oro y grabar crea microestructuras de oro. Después de este paso, las áreas grabadas de oro exponen el sustrato que puede ser grabado aún más utilizando técnicas de grabado anisotrópico tradicionales . Debido a la técnica de impresión por microcontacto, no se necesita fotolitografía tradicional para realizar estos pasos.

La creación de patrones de proteínas ha ayudado al avance de los biosensores , ^[6] la investigación en biología celular, ^[7] y la ingeniería de tejidos . ^[8] Se ha demostrado que varias proteínas son tintas adecuadas y se aplican a varios sustratos utilizando la técnica de impresión por microcontacto. La polilisina , el anticuerpo de inmunoglobulina y diferentes enzimas se han colocado con éxito sobre superficies que incluyen vidrio, poliestireno y silicio hidrófobo.

La impresión por microcontacto se ha utilizado para avanzar en la comprensión de cómo interactúan las células con los sustratos. Esta técnica ha ayudado a mejorar el estudio de la formación de patrones celulares, algo que no era posible con las técnicas tradicionales de cultivo celular.

También se ha logrado con éxito la creación de patrones de ADN utilizando esta técnica. ^{[9] [10]} La reducción en el tiempo y el material de ADN son las ventajas fundamentales para utilizar esta técnica. Los sellos se pudieron utilizar varias veces y eran más homogéneos ^{[ aclaración necesaria ]} y sensibles que otras técnicas. ^{[ cita requerida ]}

Para aprender sobre los microorganismos, los científicos necesitan formas adaptables de capturar y registrar el comportamiento de organismos unicelulares móviles de una amplia gama de especies. Los sellos de PDMS pueden moldear material de crecimiento en microcámaras que luego capturan organismos unicelulares para obtener imágenes. ^[11]

Para ayudar a superar las limitaciones impuestas por la técnica original se han desarrollado varias alternativas.

• Impresión de alta velocidad : la impresión por contacto se realizó con éxito sobre un sustrato de oro con un tiempo de contacto en el rango de milisegundos. Este tiempo de impresión es tres órdenes de magnitud más corto que la técnica normal, pero transformó con éxito el patrón. El proceso de contacto se automatizó para lograr estas velocidades a través de un actuador piezoeléctrico . En estos tiempos de contacto bajos, no se produjo la propagación de tiol en la superficie, lo que mejoró en gran medida la uniformidad del patrón ^[7].
• Impresión sumergida : al sumergir el sello en un medio líquido, la estabilidad se incrementó considerablemente. Al imprimir tioles de cadena larga hidrófobos bajo el agua, el problema común del transporte de vapor de la tinta se redujo en gran medida. Con este método se lograron relaciones de aspecto de PDMS de 15:1, algo que no se había logrado antes ^[12].
• Impresión nanocontacto con despegue : primero, utilizando sellos de despegue de silicio ^[13] y luego sellos de despegue de polímero de bajo costo ^[14] y poniéndolos en contacto con un sello PDMS plano entintado, se lograron nanopatrones de múltiples proteínas o de gradientes de nanopuntos digitales complejos con un espaciado de puntos que varía de 0 nm a 15 um para inmunoensayos y ensayos celulares. La implementación de este enfoque condujo a la creación de patrones de una matriz de gradiente de 100 nanopuntos digitales, compuesta por más de 57 millones de puntos de proteína de 200 nm de diámetro impresos en 10 minutos en un área de 35 mm2. ^[15]
• Entintado por contacto : a diferencia del entintado húmedo, esta técnica no permea el PDMS. Las moléculas de tinta solo entran en contacto con las áreas salientes del sello que se utilizarán para el diseño. La ausencia de tinta en el resto del sello reduce la cantidad de tinta transferida a través de la fase de vapor que potencialmente puede afectar el diseño. Esto se logra mediante el contacto directo de un sello con características y un sustrato plano de PDMS que tiene tinta. ^[16]
• Nuevos materiales para sellos : para crear una transferencia uniforme de la tinta, el sello debe ser mecánicamente estable y también capaz de crear un buen contacto conforme. Estas dos características se yuxtaponen porque una alta estabilidad requiere un módulo de Young alto , mientras que un contacto eficiente requiere un aumento de la elasticidad . Se ha utilizado un sello compuesto de PDMS delgado con un soporte posterior rígido para crear patrones que ayuden a resolver este problema.
• Impresión por microcontacto asistida por campo magnético : para aplicar una presión homogénea durante el paso de impresión, se utiliza una fuerza magnética. Para ello, el sello es sensible a un campo magnético inyectando polvo de hierro en una segunda capa de PDMS. Esta fuerza se puede ajustar para nano y micropatrones [1] ^{[17] [13] [12] [12] [12]} .
• Multiplexación: el macrosello : el principal inconveniente de la impresión por microcontacto para aplicaciones biomédicas es que no es posible imprimir diferentes moléculas con un solo sello. Para imprimir diferentes (bio)moléculas en un solo paso, se propone un nuevo concepto: el macrosello. Se trata de un sello compuesto de puntos. El espacio entre los puntos corresponde al espacio entre los pocillos de una microplaca. Luego, es posible entintar, secar e imprimir en un solo paso diferentes moléculas. ^[18]

• Wilbur JL; et al. (1996). Impresión por microcontacto de monocapas autoensambladas: aplicaciones en microfabricación . Nanotecnología.
• Ruiz SA; Chen CS (2007). Impresión por microcontacto: una herramienta para crear patrones . Materia blanda.
• Reinhoudt, Huskens (2009). Impresión por microcontacto: limitaciones y logros . Materiales avanzados.
• www.microcontactprinting.net: un sitio web que trata sobre la impresión por microcontacto (artículos, patentes, tesis, consejos, formación, ...)
• www.researchmicrostamps.com: un servicio que proporciona microsellos a través de simples ventas en línea.