Oplosmiddel Bonding voor de productie van PMMA en COP microfluïdische apparaten

Summary

Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige werkwijze voor het vervaardigen thermoplastische microfluïdische inrichtingen met hoogwaardige banden. We beschrijven een protocol sterke, optisch heldere bindingen in PMMA en COP microfluïdische inrichtingen die micro-gegevens bewaren, door een oordeelkundige combinatie van druk, temperatuur, een geschikt oplosmiddel en inrichting geometrie bereiken.

Abstract

Thermoplastische microfluïdische apparaten bieden veel voordelen ten opzichte van die gemaakt van siliconen elastomeren, maar bonding procedures moeten worden ontwikkeld voor elke thermoplastische van belang. Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige methode die kan worden gebruikt om inrichtingen te vervaardigen uit verschillende kunststoffen. Een geschikt oplosmiddel is toegevoegd tussen twee lagen apparaat te lijmen en warmte en druk worden toegevoerd aan de inrichting voor de binding vergemakkelijken. Door een geschikte combinatie van oplosmiddelen, kunststof, warmte en druk, kan de inrichting worden afgedicht met een hoge kwaliteit binding, gekenmerkt door hoge bindingssterkte dekking, hechtsterkte, optische helderheid, duurzaamheid in de tijd, en lage vervorming of beschadiging van micro- geometrie. We beschrijven de procedure voor het binden apparaten gemaakt van twee populaire thermoplasten, poly (methyl methacrylaat) (PMMA), en cyclo-olefinepolymeer (COP), alsook een verscheidenheid aan werkwijzen om de kwaliteit van de resulterende banden karakteriseren en strategieën tot trouoplossen van problemen bij lage kwaliteit obligaties. Deze werkwijzen kunnen worden gebruikt om nieuwe verbinding met een oplosmiddel protocollen voor andere kunststoffolie oplosmiddel systemen.

Introduction

Microfluidics heeft zich in de afgelopen twintig jaar als een technologie zeer geschikt voor het bestuderen van scheikunde en natuurkunde aan de microschaal ^1, en met het kweken van belofte om belangrijke bijdrage leveren aan biologisch onderzoek ^2-4. De meeste microfluïdische inrichtingen oudsher gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS), een siliconenelastomeer dat gemakkelijk te gebruiken, goedkoop en biedt een hoge kwaliteitskenmerk replicatie ^5. Echter, PDMS is goed gedocumenteerde tekortkomingen en onverenigbaar met hoog volume fabricageprocessen ^6,7, en als zodanig is er een toenemende trend vervaardigen microfluïdische inrichtingen van thermoplastische materialen, vanwege hun potentieel voor massafabricage en dus commercialisering geweest.

Een van de belangrijkste obstakels voor bredere toepassing van kunststof microfabrication is het bereiken van gemakkelijk, kwalitatief hoogwaardige verlijming van kunststof apparaten. De huidige strategieën hanteren tHermal, lijm en oplosmiddel verbindingstechnieken, maar veel last van belangrijke uitdagingen. Thermische binding verhoogt autofluorescentie ⁸ en vaak vervormt microkanaal geometrieën ^9-11, terwijl kleefstof technieken vereisen stencils, zorgvuldige uitlijning en uiteindelijk laat de dikte van het kleefmiddel blootgesteld aan het microkanaal ^10. Solvent bonding is aantrekkelijk door zijn eenvoud, tunability, en lage kosten ^{10,12 - 14.} Met name zijn tunability kan worden geoptimaliseerd voor verschillende kunststoffen, die constante hoge kwaliteit binding die vervorming van microfeatures ¹⁴ minimaliseert kunnen opleveren.

Tijdens oplosmiddel bonding blootstelling oplosmiddel vergroot de mobiliteit van polymeerketens nabij het oppervlak van de kunststof, die inter-diffusie rijen in de bonding interface maakt. Dit zorgt ervoor dat verstrengeling via mechanische vergrendeling van de verstrooiende ketens, en resulteert in een aphysical bond ^10. Thermische binding werkt op een vergelijkbare manier, maar vertrouwt op verhoogde temperatuur staan ​​om ketenmobiliteit verhogen. Aldus thermische methoden vereisen temperaturen rond of boven de glasovergangstemperatuur van het polymeer, terwijl het gebruik van oplosmiddelen aanzienlijk de temperatuur die nodig is voor binding kunnen verlagen en zodoende verminderen ongewenste vervorming.

Wij bieden een specifiek protocol voor het verlijmen van zowel PMMA en COP-apparaten. Echter, dit protocol en werkwijze beschrijft een eenvoudige, algemene aanpak oplosmiddel binden van thermoplastische microfluïdische inrichtingen die kunnen worden aangepast voor andere kunststoffen, oplosmiddelen en beschikbare apparatuur. We beschrijven tal van methoden voor het beoordelen van de kwaliteit van de obligaties (bijv bond dekking, hechting, obligatie duurzaamheid en vervorming van micro-geometrieën), en zorgen voor het oplossen van problemen benaderingen van deze gemeenschappelijke uitdagingen aan te pakken.

Protocol

Merk op dat alle hieronder beschreven stappen zijn ontwikkeld en uitgevoerd in een niet-cleanroomomgeving. Het oplosmiddel bonding stappen kan zeker worden uitgevoerd in een cleanroom, indien beschikbaar, maar dit is niet vereist.

1. Bereiding van thermoplastische microfluïdische apparaat Lagen

1. Ontwerp en fabriceren lagen microfluïdische apparaat uit de thermoplastische keuze, met behulp van een geschikte fabricage methode (bijv micromilling ^15, persen ^16-18, spuitgieten).
2. Voer een visuele inspectie lagen apparaat om ervoor te zorgen dat de randen zijn "schone" (dat wil zeggen, geen bramen of bergkammen van restmateriaal van het fabricageproces). Voor de beste resultaten, controleer alle machinaal micro-feature randen naast de buitenranden van het apparaat onder een optische microscoop.
3. Als overgebleven materiaal wordt gevonden tijdens de visuele inspectie, gebruik dan een scheermesje of scalpel om eventuele mat voorzichtig verwijderenerial dat de lagen apparaat voorkomt plat liggen tegen elkaar, zodat de interfaces van de lagen komen in conforme contact.
4. Clean apparaat oppervlakken met laboratorium water en zeep en droog met perslucht. Onderdompelen lagen apparaat in 2-propanol gedurende 2 minuten en droog met perslucht.

2. Solvent Bonding

1. Bereid verwarmde pers (PMMA) of kookplaat (COP).
   1. PMMA (gegoten acryl, glas overgangstemperatuur van ~ 100-110 ° C) ¹⁸ voorverhitting druk tot 70 ° C, en laat de temperatuur stabiliseren.
   2. Voor COP (glasovergangstemperatuur van 102 ° C, van de fabrikant) Verwarm kookzone 25 ° C, en laat de temperatuur stabiliseren.
2. Bereid oplosmiddel voor bonding proces.
   1. Voor PMMA, het meten van 0,5 ml ethanol per vierkante inch van bonding gebied.
   2. Voor COP, voor te bereiden een 65:35 mengsel van 2-propanol en cyclohexaan, witha totaal volume van 0,5 ml van het mengsel per vierkante inch lijmvlak.
      LET OP: Voor de COP, gebruiken glazen pipetten en containers, zoals cyclohexaan gemeenschappelijke polypropyleen laboratorium zal oplossen. Voer alle mixen en binding in een zuurkast, cyclohexaan is giftig.
3. Doseer 0,1 ml oplosmiddel per vierkante inch van de binding tussen gereinigd plastic lagen en breng de lagen aan elkaar. Visueel te inspecteren op luchtbellen in de bonding interface, die veel voorkomen, en moet zoveel mogelijk worden verwijderd.
   Opmerking: Het is gunstig om snel te werken nadat het oplosmiddel is afgegeven, zoals vluchtige oplosmiddelen begint te verdampen (en dus zal oplosmiddelmengsels veranderen samenstelling).
   1. Indien luchtbellen aanwezig zijn, schuift u de twee plastic lagen langs de bonding-interface, zodat ze bijna los te komen (maar blijft in contact), en schuif ze weer bij elkaar.
4. Lijn de lagen van het apparaat met de aanpassing pinnen,een aangepaste jig, of gewoon met de hand (zie Overleg sectie voor meer details).
   1. Bij gebruik van alignment pinnen, lijn de gaten voor de pennen, en steek de pinnen in het apparaat stack.
   2. Bij gebruik van een aangepaste mal, plaatst u het apparaat stapel in de mal en draai rond het apparaat.
   3. Als uitlijnen met de hand, vingers gebruikt om de buitenranden van de inrichting uit te lijnen.
5. Plaats het apparaat met oplosmiddel in de voorverwarmde pers (PMMA) of op de voorverwarmde kookplaat (COP).
   1. PMMA, 2300 kPa toepassing van druk gedurende 2 minuten.
   2. Voor COP Breng 350 kPa druk. Verhoog de temperatuur van 25 ° C tot 70 ° C met een snelheid van 5 ° C / min. Na het bereiken van 70 ° C (na 9 min), binding gedurende nog 15 min.
6. Gebruik een pincet om de hete apparaat veilig te verwijderen voor inspectie. Bonding is nu voltooid.
7. Verwijder eventuele resterende vloeistof in het apparaat (in microkanalen of andere features).
   1. Voor PMMA, verwijder alle resterende vloeistof met perslucht. Voor COP, plaats gebonden apparaat kookplaat en bakken bij 45 ° C gedurende 24 uur om eventueel achtergebleven cyclohexaan te verwijderen.

Representative Results

Een schema van het algemene oplosmiddel hechtingsprocedure wordt weergegeven in figuur 1. De makkelijkste manier om de kwaliteit obligatie te beoordelen is om visueel te inspecteren bond dekking, omdat een slechte band dekking is goed zichtbaar als regio's van ongebonden plastic, en is een indicatie van zwakke binding. Deze regio's zijn meestal in de buurt van vrije randen (bijv periferie van het apparaat, of in de buurt van open poorten of microkanalen), en kan ook vaak verschijnen rond deeltjes van vuil en stof op de bonding interface. Slechte binding dekking door zwakke binding wordt typisch gezien tijdens het protocol ontwikkelingsfase, voordat de optimale oplosmiddelsamenstelling en binding voorwaarden zijn gevonden, en voorbeelden zijn getoond in figuur 2A. Gewoonlijk zwakke binding suggereert een behoefte aan één of meer van: (i) een agressiever oplosmiddel (bijvoorbeeld een hogere concentratie oplossing of een ander oplosmiddel), (ii) een hogere bindingstemperatuur, en (iii) een hogere hechting prEssure.

Omgekeerd kan te agressief binding voorwaarden leiden tot uitstekende hechting dekking met hoge hechtsterkte, maar ook beschadigde of afgesloten microfeatures, zoals getoond in figuur 2B. Dit is meestal te wijten aan het oplosmiddel zijn te agressief, maar hoge temperatuur (naderen van de glasovergangstemperatuur van de kunststof) ook aanzienlijke vervorming veroorzaken.

Een hoge kwaliteit, goed hechtende inrichting zowel goede binding dekking en minimale vervorming van microfeatures, zoals weergegeven in figuur 2C. Afhankelijk van het oplosmiddel en temperatuur naar keuze, kan het moeilijk zijn om een ​​goede hechting dekking te bereiken nabij vrije randen van de inrichting als het oplosmiddel is zeer vluchtig en dus snel verdampt. In deze situaties, toevoegen van kleine microgroeven aan het ontwerp van de inrichting, langs de randen plaats, kan helpen verzachten oplosmiddelverdamping en dusverbetering binding bereik, zoals weergegeven in figuur 2D. We gebruiken meestal groeven dwarsdoorsnede afmetingen van 500 x 500 urn, 300 urn geplaatst van de rand. ¹⁴

Naast algemene visuele inspectie van de obligatie-dekking, moeten beide destructief en niet-destructief onderzoek worden gebruikt om verder te onderzoeken kwaliteit obligatie- en micro-schade. Twee destructieve controles die nuttig zijn bij het protocol ontwikkelingsfase zijn (i) dwarsdoorsneden en (ii) vastklemmen elkaar gekoppelde apparaten, om micro-geometrie en bindingssterkte beoordelen respectievelijk. Wij geven de voorkeur gebruik micromilling sectie van onze apparaten, zoals we dit biedt een goede combinatie van gemak, nauwkeurigheid, en relatief schone oppervlakken. Aangezien een freesmachine andere benaderingen kunnen worden gebruikt, hoewel andere uitdagingen presenteren. Voorbeelden hiervan zijn het snijden met een diamantzaag of lintzaag (laat ruwe oppervlakken), voorzichtig snappingeen inrichting langs rillijnen (kan moeilijk zijn vanwege dikte en schuifspanning kan leiden apparaat delamineren), of gewoon schuren verwijderd deel van de inrichting (tijdrovende). Ruwe oppervlakken van het snijden kan worden gladgestreken met schuren.

Ongeacht de gebruikte methode, moeten apparaten worden doorgesneden loodrecht op microfeatures van belang, en kan visueel geïnspecteerd met behulp van een optische microscoop. De grootte en vorm van de micro-doorsneden geeft aan hoeveel deformatie is opgetreden als gevolg van binding. Minder agressieve oplosmiddelen en lagere temperaturen en drukken, zullen beter in stand scherpe hoeken en rechte wanden, terwijl meer agressieve omstandigheden afronding van hoeken en muren, evenals een afname in dwarsdoorsnede door polymere zwelling veroorzaken. Afbeeldingen typische resultaten worden weergegeven in figuur 3.

Hechtsterkte kan worden gemeten door partiëlely vastklemmen elkaar de gehechte lagen met een shim en meten van de afstand van de rand van het vulstuk aan de rand van de delaminatie regio. De hechtsterkte kan worden berekend uit deze afstand is de dikte van de lagen en het vulstuk en de elasticiteitsmodulus van de kunststof. ^14,19 Als de specifieke hechting waarde is niet belangrijk, vastklemmen de lagen biedt afgezien van een kwalitatieve methode om te beoordelen of de band is sterk genoeg voor de typische krachten en het hanteren van het apparaat zal tegenkomen tijdens experimenten.

Destructieve tests zijn nuttig voor het controleren van de kwaliteit van een apparaat terwijl het bruikbaar voor het beoogde doel. Een eenvoudige en handige methode is om te inspecteren via microscopie, in de eerste plaats gericht op obligaties dekking in de buurt van micro-randen, of op kleine bonding gebieden. Ongehechte gebieden verschijnen iets donkerder dan gebonden gebieden vanwege de dunne luchtspleet tussen de kunststoflagen, en zoals getoond in figuur 4 </ Strong>, moet merkbaar door zorgvuldige inspectie met een microscoop zijn. Het vinden van de regio's van ongebonden plastic kan helpen leiding hebben over een tweede iteratie van gelokaliseerde binding aan kritische onderdelen van het apparaat af te dichten voor gebruik.

Een nuttige techniek voor het bereiken van een sterke band met een agressief oplosmiddel, maar terwijl het minimaliseren van schade aan microkanalen, is om grooves toe te voegen met toegangspoorten tot het apparaat design, en alleen maar oplosmiddel om de groeven (in plaats van overstromingen van de hechting oppervlak met oplosmiddel). Dit reduceert contact tussen het microkanaal en de vloeibaar oplosmiddel (damp komt nog het microkanaal) en dus vermindert vervorming zie figuur 5.

Afhankelijk van de beoogde apparaat applicatie, kan op langere termijn duurzaamheid tests nodig zijn. Bijvoorbeeld, veel van onze apparaten worden gebruikt voor biologische experimenten en in een celincubator envi kan zichving (37 ° C, 100% vochtigheid) tot enkele weken. Duurzaamheid kan worden beoordeeld door het plaatsen van testapparaten in de vereiste voorwaarden voor de gewenste duur, en daarna gecontroleerd op een visuele daling van de obligatie-dekking (delaminatie van het apparaat), of verzwakte hechtsterkte die het mogelijk maakt het apparaat gemakkelijk uit elkaar worden ingeklemd. Voorbeelden zijn getoond in figuur 6, en geven de noodzaak de hechtingsprocedure wijzigen om hogere hechtsterkte bereikt.

Figuur 1: Schema van Bonding proces. Het algemene oplosmiddel bonding proces wordt getoond. Vloeibaar oplosmiddel wordt toegevoegd tussen de twee thermoplastische lagen apparaat te verlijmen. De lagen worden samengebracht en bellen worden verwijderd uit de vloeistof bij het bindingsgrensvlak. Druk en warmte worden toegevoerd aan de inrichting voor de gewenste duur en de gebonden apparaat voltooid. elke reresterende vloeistof kan van open poorten worden verwijderd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: visuele voorbeelden van verschillende Bond Kwaliteit. (A) Een gemeenschappelijke uitdaging met veel vloeibaar oplosmiddel bonding benaderingen is dat een snelle verdamping optreedt in de buurt van vrije randen van het apparaat tijdens de verhitte bonding stap als gevolg van de volatiliteit oplosmiddel. Dit leidt vaak tot gebieden van ongebonden materiaal in de buurt van deze randen, wat resulteert in een slechte band dekking, lekkende microfluïdische functies en lage totale obligatie sterkte. Deze gebieden zijn zichtbaar als lichter gekleurde vlekken met interferentiestrepen (gele pijlen). (B) Omgekeerd overdreven agressief oplosmiddel bonding levert uitstekende hechting dekking, maar kan ook aanzienlijke dama veroorzakenge naar microfeatures, daardoor vervormen of het afsluiten van het apparaat kanalen (gele pijlen). (C) Een geoptimaliseerde solvent-plastic-systeem behaalt goede binding dekking en sterkte, en minimaliseert schade aan microfeatures terwijl ze goed afdichten. (D) In sommige gevallen is het toevoegen van het vasthouden van oplosmiddel groeven parallel apparaat randen (gele pijl) kan helpen bij het verbeteren band dekking en microfeatures goed af. Groeven kunnen nodig zijn als betere hechting dekking nodig, maar het is onwenselijk om oplosmiddel te verhogen (als gevolg van de resulterende verhoogde schade aan microfeatures). Schaalbalken = 1 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: dwarsdoorsneden van Bonded Devices. Het oplosmiddel bonding proces can vervormen microfeatures als het oplosmiddel te agressief, of wanneer de binding temperatuur of druk te hoog. Inspecteren dwarsdoorsneden van gekoppelde apparaten zullen incidenten van micro-vervorming te onthullen. Het uitvoeren van dergelijke inspecties voor elk specifiek systeem plastic-oplosmiddel kan helpen bij het vaststellen van de optimale parameters voor de verwezenlijking van de gewenste kwaliteit microkanaal. Representatieve beelden worden getoond voor doorsneden van een 500-um vierkante PMMA kanaal verbonden met de juiste (links) en overdreven agressief (rechts) mengsels van oplosmiddelen. Twee indicatoren van de omvang van oplosmiddel veroorzaakte deformatie de afronding van hoeken en rechte wanden en de dikte van een oplosmiddel-rijke laag kunststof op oppervlakken die in contact met het oplosmiddel (gele pijlen) waren. Schaal bar = 200 micrometer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Niet-destructieve inspectie via Microscopy. Zorgvuldige inspectie met een optische microscoop kunnen regio's van ongebonden plastic te identificeren, met name in de buurt van micro-randen, of op kleine bonding gebieden. Ongehechte gebieden (rode pijlen) lijken iets donkerder dan gebonden gebieden vanwege de dunne luchtspleet tussen de kunststoflagen en gekleurde interferentielijnen soms ook zichtbaar op deze gebieden. Het identificeren van de regio's van een slechte hechting kan wijzen op de noodzaak van een tweede iteratie van binding, met oplosmiddel lokaal toegevoegd aan brandhaarden. Schaal bar = 1 mm.

Figuur 5: Het minimaliseren Schade aan kanalen door het toevoegen van Solvent Alleen Grooves. Het beeld microscoop toont een dwarsdoorsnede van een PMMA kanaal omringd door twee groeven. Oplosmiddel worden toegevoegd aan Grooves terwijl de twee lagen inrichting worden samengedrukt plaats overstromingen de binding interface oplosmiddel. Dit minimaliseert sterk oplosmiddel contact met de binnenkant van het microkanaal, en dus minimaliseert oplosmiddel geïnduceerde vervorming. Deze benadering is handig wanneer een agressieve oplosmiddel nodig is om een ​​hoge bindingssterkte en dekking te garanderen, maar contact tussen het oplosmiddel en microkanalen geminimaliseerd te worden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Duurzaamheid en Vergelijking met (Plasma-Assisted) Thermal Bonding. Verbinding met een oplosmiddel (A) geeft betere hechting dan plasmageassisteerde thermische binding (B) of thermische binding (C) technieken, en ook grotere duurzaamheid in celincubator omstandigheden (37 ° C, 100% vochtigheid). Beide thermische technieken routinematig verlaten significant "halo" of ongebonden plastic omliggende microfeatures, met plasma ondersteunde thermische binding beter zijn dan gewone thermische binding. Deze obligaties degraderen ook na verloop van tijd, met de ongebonden regio's groeien in omvang. Terwijl het oplosmiddel gebonden COP apparaat toonde geen verandering in binding dan 48 uur in een incubator (A), het plasma thermisch gebonden apparaat volledig gedelamineerd (B). De reguliere thermische gebonden apparaat begon delamineren binnen 10 minuten bij omgevingsomstandigheden (C), en ook volledig gedelamineerd in de incubator. Schaalbalken = 5 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Plastic	solvent		Pressure (kPa)	Duur (min)	Notes
PMMA	100% ethanol	70	2300	2	Beste optie als een verwarmde pers beschikbaar is (die nodig is voor hoge druk). Consequent levert uitstekende hechting dekking (zonder gebruik van oplosmiddel retentie groeven) met lage vervorming van microfeatures. Vereist zeer weinig oplosmiddel en is zeer ongevoelig voor bellen en stof / vuil bij het bindingsgrensvlak door hoge druk.
PMMA	75% aceton / 25% water	40	30	20	Inferior consistentie bovenstaande methode en duurt langer, maar heeft geen verwarmde pers vereist (kan worden gedaan met kookplaat en losse gewichten). Bond dekking is sterk geholpen door het gebruik van oplosmiddelen retentie grooves.
COP 35% cyclohexaan / 65% 2-propanol	25 -> 70 *	350	15 *	Wij hebben gevonden dat het voorverwarmen van de kookplaat veroorzaakt teveel aanvankelijke verdamping, en leidt ook tot wit worden van de kunststof. In plaats daarvan plaatsen we het apparaat op kamertemperatuur kookplaat en verhoog de temperatuur tot 70 ° C (toenamesnelheid van 5 ° C / min). Nadat de temperatuur stabiliseert op 70 ° C (9 minuten), we binding op deze temperatuur gedurende nog 15 min.

Tabel 1: Solvent Bonding Parameters. Samenvatting van de combinaties van kunststoffen, oplosmiddelen, temperaturen en drukken voor PMMA en COP oplosmiddel bonding protocol.

Discussion

De haalbaarheid van potentiële bonding strategieën hangt af van de beschikbare apparatuur. Terwijl de pits komen relatief vaak voor en losse gewichten kan goedkoop worden gekocht, zal hoge druk strategieën voor het gebruik van een verwarmde pers nodig. Bijvoorbeeld, onze optimale PMMA bonding recept vereist een hoge druk om band met ethanol (zie tabel 1), en de vereiste druk is niet haalbaar voor typische apparaat maten met behulp van vrije gewichten. Zou alleen de een kookplaat en gewichten beschikbaar, PMMA kan in plaats daarvan worden verbonden met een ander oplosmiddel (75% aceton in water). Bovendien kan het gebruik van oplosmiddelen die een zuurkast vereist ook haalbaarheid beperken, vooral als hoge drukken vereist, als dergelijke strategieën zouden zowel het gebruik van een verwarmde pers en de noodzaak om de perspassing in een zuurkast vereist. Deze overwegingen kunnen helpen begeleiden oplosmiddel keuzes bij het ontwikkelen van nieuwe oplosmiddel-kunststof systemen, waarbij de voorkeur uitgaat naar minder schadelijke oplosmiddelen en lagere druks die nog steeds bieden hoge kwaliteit binding.

Na een oplosmiddel bindingswerkwijze is geoptimaliseerd voor een bepaalde kunststoffen, kunnen er nog problemen met slechte dekking binding dichtbij apparaat randen door verdamping effecten tijdens het verbindingsproces. Zoals in de representatieve resultaten sectie, een strategie die deze problemen kan verminderen is de toevoeging van een oplosmiddel vasthoudgroef parallel aan de randen van belang (loopt namelijk de buitenrand van de inrichting, en langs alle kanalen of poorten vertonen typisch bonding moeilijkheden). Bovendien kunnen twee of meer doorgaande opening poorten worden toegevoegd aan elke groef (en / of groeven kunnen worden verbonden), zodanig dat het oplosmiddel direct kan worden toegevoegd in de groeven met een pipet. Dit heeft twee potentiële toepassingen: (i) oplosmiddel kunnen worden toegevoegd aan de groeven in plaats van overstromingen het bindingsgrensvlak, die contact tussen het oplosmiddel en de wanden van de microkanalen (zie figuur 5) sterk vermindert,en (ii) indien de eerste aanzet tot hechting laat enige gebieden met slechte dekking bond solvabeler plaatselijk worden toegevoegd voor een tweede ronde van binding, die vaak afdicht resterende kritieke gebieden rond microfeatures. Het is vermeldenswaard dat grooves kunnen toevoegen aan de fabricage tijd, en omdat ze nemen ruimte in op het apparaat, kan niet vatbaar voor een aantal high-density ontwerpen zijn.

Een gemeenschappelijke uitdaging met bonding strategieën is de uitlijning van de lagen apparaat tijdens binding. Meerdere strategieën mogelijk, afhankelijk nauwkeurigheidseisen. Als de uitlijning is niet kritisch (dwz, als alle microfeatures op een laag, die is gebonden aan een vlakke onderliggende substraatlaag) en handmatige uitlijning hand volstaat. Voor meer veeleisende uitlijning eisen kan wijzerafstemming nog voldoende zijn, maar dit hangt enigszins af van de bekwaamheid van de individuele onderzoeker. We kunnen routinematig bereiken nauwkeurigheid aanpassing aan binnen 100 micrometer, en slimme beslissingenin het apparaat ontwerp kan ontspannen aan de eisen voor nauwkeurigheid uitlijning (dat wil zeggen, door het ontwerpen van toleranties in de microfeatures van het apparaat, indien mogelijk, zodanig dat geringe afwijkingen hebben geen invloed op prestaties van het apparaat). Een geschikte techniek om te helpen met wijzerafstemming is om zo weinig mogelijk oplosmiddel gebruiken om de hechting te bedekken. Met een gehalte aan oplosmiddel de kunststoflagen "zweven" op de dunne laag vloeibaar en worden geen uitlijning handhaven wanneer de inrichting wordt overgebracht naar de verwarmingsplaat of verwarmde pers. Daarentegen een zeer dunne laag oplosmiddel helpt om "stick" de kunststoflagen elkaar en in lijn blijft nadat ze zijn ingesteld met de hand.

Indien nauwkeurigere uitlijning vereist, mogelijke strategieën omvatten L-vormige hoekbeugels de lagen inrichting bijeen te houden uitlijnpinnen die gaan door de lagen apparaat met tape aan de buitenkant van het apparaat laagposities of op maat gemaakte mallen zorgen dat kan t houdenHij apparaat tijdens de hechting stap. Voor al deze strategieën op dat de aanpassing hardware typisch korter dan de totale stapelhoogte van de inrichting zodanig dat druk kan tijdens hechting aan het vlak van de inrichting aangebracht moet worden.

De uitdaging voor verbinding met een oplosmiddel is meestal niet de breedte, maar de diepte van microkanalen omdat ondiepe microkanalen kunnen worden ingeklapt door een te agressief oplosmiddel of door te hoge temperaturen en drukken. Voor een bepaalde diepte, bredere kanalen gevoeliger instorten dan nauwe kanalen. Hoewel we niet hebben verzonnen kanalen onder 50 urn in de breedte (als gevolg van beperkingen van onze CNC-freesmachine dat de minimale diameter frees die we kunnen gebruiken beperken), hebben we regelmatig verbonden kanalen die worden gescheiden door afstanden in de orde van 25 urn. In termen van de diepte, hebben we ook met succes gebonden zeer ondiepe kanalen (~ 15 pm) met behulp van deze methode.

Tenslotte vergelijkingvloeibare oplosmiddelfase hechting aan andere verbindingstechnieken gerechtvaardigd. Drie andere gangbare verbindingstechnieken zijn dampfase oplosmiddel binding, thermische diffusielassen en plasma geassisteerde thermische diffusie hechting. Vapor oplosmiddelfase binding heeft veel van de kenmerken van de vloeibare oplosmiddelfase binding, maar is in onze ervaring moeilijker uit te voeren en minder afstembare, wat leidt tot minder consistente resultaten. Toepassing oplosmiddel in de dampfase vereist een vacuümkamer of een dampkamer met een apparaathouder, en vinden het proces minder controleerbaar dan middels vloeistof. Bovendien dampfase technieken zelden vatbaar voor gebruik met oplosmiddelmengsels, aangezien bijna alle mengsels niet-azeotropische en wordt derhalve de samenstelling verandert van vloeibaar naar gasfase, afhankelijk omgevingsdruk en temperatuur.

Thermische diffusielassen omvat samen te drukken lagen apparaat bij verhoogde temperatuur nabij de glasovergangstemperatuur_(Tg) van de kunststof. De hoge temperatuur stijgt polymeer mobiliteit keten, waardoor kettingen aan interdiffuseren over de bonding interface en vormen een band. ¹⁰ Omdat de gehele inrichting wordt verwarmd tot dezelfde temperatuur ketenmobiliteit overal verhoogd en microfeatures vervormd en afgerond ^9,10. De verruiming hechtsterkte (door hogere temperatuur bonding) komt op de directe kosten van schade aan microfeatures. Een wijziging van thermisch binden is het gebruik van een pre-bonding zuurstofplasma oppervlaktebehandeling, waarbij de lokale (oppervlak) _Tg van het polymeer ²⁰ verlaagt. Dit plasma ondersteunde thermische hechting maakt het dus mogelijk binding optreedt bij lagere temperaturen, verder van de bulk _Tg. Hoewel dit de hoeveelheid vervorming microfeatures verminderen in vergelijking met thermische binding, hebben wij gevonden dat initiële dekking en bindingssterkte zijn nog veel lager dan in bonding oplosmiddel en importantly, de obligaties af te breken in de daaropvolgende uren. Zoals getoond in figuur 6, plasma geassisteerde thermisch gekoppelde apparaten vertoonden significant verlies van binding dekking dan 48 uur in een cel incubator, terwijl oplosmiddel gekoppelde apparaten vertoonden geen veranderingen.

Hier beschrijven we een eenvoudig, efficiënt protocol dat is gebaseerd op vloeistof gebaseerde oplosmiddel binding aan kwaliteit obligaties PMMA en COP microfluïdische inrichtingen bereiken. Onze resultaten toonden aan dat specifieke stappen voor PMMA en COP binding zal leiden tot een sterke en optisch heldere obligaties met een verwaarloosbare vervorming van microfeatures, en dat het gebruik van groeven en afstemming hardware kan vaak praktische problemen tijdens het oplosmiddel bonding procedure te omzeilen. Het opnemen van deze methode in het fabricageproces zal de ontwikkeling van PMMA en-COP gebaseerde microfluïdische apparaten te versnellen, en onderzoekers in staat te stellen gemakkelijker thermoplasten in hun microfluïdische apparaat ontwerpen vast te stellen.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
COP	Zeonor	604Z1020R080	20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
PMMA	McMaster Carr	8560K173	1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
Cyclohexane	Sigma-Aldrich	227048	Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood.
Ethanol	Sigma-Aldrich	24102	Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used.
Acetone	Sigma-Aldrich	179124	Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used.
2-Propanol	Sigma-Aldrich	278475	2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used.
Hot plate(s)	Torrey Pines Scientific	HP60	Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used.
Free weights	Cap Barbell	RPG#2	Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used.
Heated press	Carver	Auto CH	Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not).
CNC Milling Machine	Tormach	PCNC 770	3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used.
Endmills	Various	Various	Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used.