Summary
colagem solvente é um método simples e versátil para a fabricação de dispositivos microfluídicos termoplásticos com títulos de alta qualidade. Nós descrevemos um protocolo para alcançar laços fortes, opticamente transparentes em PMMA e dispositivos microfluídicos COP que preservam detalhes microfeature, por uma combinação judiciosa de pressão, temperatura, num solvente apropriado, e da geometria do dispositivo.
Abstract
microcanais termoplásticos oferecem muitas vantagens sobre aqueles feitos a partir de elastómeros de silicone, mas os procedimentos de ligação deve ser desenvolvida para cada um termoplástico de interesse. ligação por solvente é um método simples e versátil, que pode ser utilizado para fabricar os dispositivos a partir de uma variedade de plásticos. Um solvente apropriado é adicionado entre as duas camadas do dispositivo a ser ligado, e o calor e a pressão são aplicadas ao dispositivo, para facilitar a ligação. Através da utilização de uma combinação apropriada de solvente, de plástico, de calor e pressão, o dispositivo pode ser selado com uma ligação de alta qualidade, caracterizado por ter uma alta cobertura de ligação, força de ligação, claridade óptica, durabilidade ao longo do tempo, e baixa deformação ou danos para microfeature geometria. Descreve-se o procedimento para os dispositivos de ligação fabricados a partir de materiais termoplásticos conhecidos, poli (metil-metacrilato) (PMMA), e polímeros de ciclo-olefina (COP), bem como uma variedade de métodos para caracterizar a qualidade das ligações resultantes, e estratégias para troubleshoot títulos de baixa qualidade. Estes métodos podem ser utilizados para desenvolver novos protocolos de ligação por solvente para outros sistemas de plástico de solvente.
Introduction
Microfluídica tem emergido nos últimos vinte anos como uma tecnologia adequada para estudar química e física em microescala 1, e com a promessa de crescimento para contribuir significativamente para a biologia da pesquisa 2-4. A maioria dos dispositivos de microfluidos foram historicamente feita a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), um elastómero de silicone que é fácil de usar, de baixo custo, e oferece a replicação característica de alta qualidade 5. No entanto, o PDMS tem deficiências bem documentado e é incompatível com a fabricação de alto volume processa 6,7, e, como tal, tem havido uma tendência crescente para a fabricação de dispositivos de microfluidos de materiais termoplásticos, devido ao seu potencial para a fabricação de massa e, assim, a comercialização.
Uma das principais barreiras para a adoção mais ampla de microfabricação de plástico vem alcançando fácil ligação qualidade, alta de dispositivos de plástico. As estratégias atuais empregam tHermal, adesiva, e as técnicas de ligação de solventes, mas muitos sofrem de desafios significativos. A ligação térmica aumenta a autofluorescência 8 e muitas vezes deforma geometrias de microcanais 9-11, enquanto que as técnicas adesivas requerem stencils, o alinhamento cuidadoso e, finalmente deixar a espessura do adesivo exposto ao microcanal 10. Colagem solvente é atraente devido à sua simplicidade, tunability, e baixo custo de 10,12 - 14. Em particular, a sua tunability permite a optimização para uma variedade de plásticos, que pode produzir consistente qualidade de ligação, elevada que minimiza a deformação da microcaracterísticas 14.
Durante a ligação por solvente, a exposição a solventes aumenta a mobilidade das cadeias de polímero perto da superfície do plástico, o que permite a inter-difusão de cadeias através do interface de ligação. Isto faz com que por meio de emaranhamento de bloqueio mecânico das cadeias de difusora, e resulta em APvínculo hysical 10. A ligação térmica funciona de uma maneira semelhante, mas baseia-se na temperatura elevada por si só para aumentar a mobilidade da cadeia. Assim, os métodos térmicos requerem temperaturas próximas ou acima da transição de vidro do polímero, ao passo que o uso de solventes pode reduzir significativamente a temperatura necessária para a ligação e, assim, reduzir a deformação indesejada.
Nós fornecemos um protocolo específico para a colagem de ambos os dispositivos COP PMMA e. No entanto, este protocolo e método descreve uma abordagem simples, genérico para a ligação de solvente de dispositivos microfluídicos termoplásticos que pode ser adaptado para outros materiais plásticos, solventes e equipamento disponível. Nós descrevemos vários métodos para avaliar a qualidade de ligações (por exemplo, a cobertura de ligação, resistência de união, durabilidade bond, e deformação das geometrias microfeature), e fornecer abordagens de solução de problemas para resolver estes desafios comuns.
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Protocol
Note-se que todos os passos descritos abaixo, foram desenvolvidos e realizados num ambiente não-salas limpas. Os passos de ligação de solventes pode certamente ser realizada de uma sala limpa, se disponível, mas isso não é necessário.
1. Preparação de camadas do dispositivo termoplástico microfluídicos
- Concepção e fabrico de camadas Dispositivo de microfluidos da termoplástico de escolha, utilizando um método de fabricação adequado (por exemplo, microfresagem 15, gravação em relevo 16-18, moldagem por injecção).
- Inspecione visualmente camadas de dispositivos para garantir que as bordas são "limpas" (isto é, sem rebarbas ou saliências de material restante do processo de fabricação). Para obter melhores resultados, verifique todas as arestas em recursos micro usinadas, além das bordas externas do dispositivo sob um microscópio óptico.
- Se o material restante é encontrado durante a inspeção visual, use uma lâmina de barbear ou bisturi para remover cuidadosamente qualquer material que impede que as camadas do dispositivo a partir deitado uma contra a outra de modo que as interfaces das camadas entram em contacto conformada.
- dispositivo de limpar as superfícies com sabão de laboratório e água e seque com ar comprimido. Submergir camadas de dispositivos em 2-propanol durante 2 minutos e seque com ar comprimido.
2. colagem por solvente
- Prepare prensa aquecida (para PMMA) ou placa de aquecimento (para COP).
- Por PMMA (acrílico fundido, temperatura de transição de vidro de ~ 100-110 ° C) 18 de pré-aquecimento prima a 70 ° C, e permitir que a temperatura estabilize.
- Para COP (temperatura de transição vítrea de 102 ° C, a partir do fabricante), pré-aquecer placa de aquecimento a 25 ° C, e permitir que a temperatura estabilize.
- Prepare solvente para processo de colagem.
- Para PMMA, medir 0,5 ml de etanol por polegada quadrada de área de colagem.
- Para COP, prepare uma mistura 65:35 de 2-propanol e ciclo-hexano, sagacidadeha volume total de 0,5 ml da mistura por polegada quadrada da área de adesão.
NOTA: Para COP, utilize pipetas de vidro e recipientes, como ciclo-hexano vai dissolver o material de laboratório polipropileno comum. Executar todas mistura e colagem numa hotte, como ciclo-hexano é tóxico.
- Pipetar 0,1 ml de solvente por polegada quadrada de área de adesão entre as camadas de plástico limpas e trazer as camadas em conjunto. Verifique visualmente se bolhas de ar na interface de ligação, que são comuns e devem ser removidos, tanto quanto possível.
NOTA: É vantajoso trabalhar rapidamente uma vez que o solvente tenha sido distribuído, como solventes voláteis começará a evaporar-se (e, por conseguinte, misturas de solventes mudará na composição).- Se as bolhas estão presentes, deslize as duas camadas de plástico ao longo da interface de ligação de modo que eles quase se desfazer (mas permanecer em contato) e, em seguida, deslize-los juntos novamente.
- Alinhar as camadas do dispositivo com pinos de alinhamento,um gabarito personalizado, ou simplesmente com a mão (ver secção Discussão para mais detalhes).
- Se usar pinos de alinhamento, alinhe os furos para os pinos, e insira os pinos na pilha do dispositivo.
- Se estiver usando um gabarito personalizado, insira a pilha do dispositivo para o gabarito e aperte em torno do dispositivo.
- Se o alinhamento com a mão, usar os dedos para alinhar as bordas exteriores do dispositivo.
- Coloque o dispositivo com solvente para a imprensa pré-aquecido (para PMMA) ou sobre a placa de aquecimento pré-aquecido (para COP).
- Por PMMA, aplicam-se 2300 kPa de pressão durante 2 minutos.
- Para COP, aplicar 350 kPa de pressão. Aumentar a temperatura de 25 ° C a 70 ° C a uma velocidade de 5 ° C / min. Depois de atingir 70 ° C (depois de 9 minutos), a ligação para um adicional de 15 min.
- Use uma pinça para remover com segurança o dispositivo quente para inspeção. A ligação é agora completa.
- Remover restos de líquido no dispositivo (em microcanais ou outras features).
- Para PMMA, remover qualquer líquido restante com ar comprimido. Para COP, colocar o dispositivo ligado na placa de aquecimento e leve ao forno a 45 ° C durante 24 horas para remover qualquer ciclohexano restante.
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Representative Results
Um diagrama esquemático do processo de colagem por solvente geral é mostrada na Figura 1. A maneira mais fácil de avaliar a qualidade do vínculo é inspecionar visualmente a cobertura de obrigações, uma vez que a cobertura pobre ligação é facilmente visível como regiões de plástico unbonded, e é indicativo de vínculo fraco. Essas regiões são tipicamente bordas livres perto (por exemplo, periferia do dispositivo, ou próximo portas abertas ou microcanais), e também pode muitas vezes aparecem em torno de todas as partículas de sujeira ou poeira na interface de ligação. Cobertura pobre ligação devido à ligação fraca é tipicamente visto durante a fase de desenvolvimento do protocolo, antes de as condições de composição e ligação por solvente óptimas tenham sido encontrados, e exemplos são mostrados na Figura 2A. Tipicamente, a ligação fraca sugere a necessidade de um ou mais dos seguintes: (i) um solvente mais agressivos (isto é, uma solução de concentração mais elevada, ou num solvente diferente), (ii) uma temperatura de ligação mais elevada, e (iii) uma ligação maior prEssure.
Por outro lado, condições de ligação demasiado agressivas pode levar a uma excelente cobertura ligação com uma força de ligação elevada, mas também danificado ou selada microcaracterísticas, como mostrado na Figura 2B. Esta é mais frequentemente devido ao solvente ser demasiado agressivo, embora a temperatura elevada (que se aproxima da temperatura de transição de vidro do plástico) pode também causar uma deformação significativa.
Uma alta qualidade, bem dispositivo ligado tem tanto uma boa cobertura ligação e deformação mínima de microestruturas, como mostrado na Figura 2C. Dependendo do solvente e da temperatura escolhida, pode ser difícil conseguir uma boa cobertura ligação perto de extremidades livres do dispositivo, se o solvente é muito volátil e, assim, evapora-se rapidamente. Nestas situações, a adição de pequenas estrias para a concepção do dispositivo, ao longo dos bordos de interesse, pode ajudar a reduzir a evaporação do solvente e assimmelhorar a cobertura de ligação, como mostrado na Figura 2D. Nós normalmente usam ranhuras com dimensões de secção transversal de 500 x 500 mm, colocada 300 mm a partir da borda. 14
Além de inspeção geral visual de cobertura de ligação, testes tanto destrutivos e não destrutivos devem ser utilizados para investigar ainda mais a qualidade de títulos e danos microfeature. Dois ensaios destrutivos que são úteis durante a fase de desenvolvimento de protocolo são: (i) de corte transversal e (ii) wedging dispositivos ligados à parte, para avaliar a geometria microfeature e força de ligação, respectivamente. Nós preferimos usar microfresagem a secção nossos dispositivos, como nós encontramos isso oferece uma boa combinação de conveniência, precisão e superfícies relativamente limpas. Na ausência de uma fresadora outras abordagens podem ser utilizadas, embora eles irão apresentar diferentes desafios. Exemplos incluem o corte com uma serra de diamante ou serra de fita (deixa superfícies ásperas), cuidadosamente tirandoum dispositivo ao longo de linhas vincadas (pode ser difícil devido à espessura, e tensão de cisalhamento pode causar dispositivo para deslaminar), ou simplesmente lixar distância parte do dispositivo (demorado). superfícies ásperas de corte pode ser suavizada com lixar.
Qualquer que seja o método utilizado, deve ser dispositivos seccionados perpendicularmente ao microcaracterísticas de interesse, e podem ser inspeccionadas visualmente através de um microscópio óptico. O tamanho ea forma das secções transversais microfeature vai indicar o quanto a deformação ocorreu devido à ligação. solventes menos agressivos, e temperaturas mais baixas e pressões, será melhor preservar cantos afiados e paredes rectas, enquanto que as condições mais agressivas fará com que o arredondamento dos cantos e paredes, bem como uma diminuição da área da secção transversal, devido ao inchaço do polímero. Imagens de resultados típicos são mostrados na Figura 3.
força de ligação pode ser medido pelo parcialLY cunha distante as camadas ligadas por um calço e da medição da distância a partir da borda do calço para a extremidade da região de delaminação. A força de ligação pode ser calculada a partir desta distância, a espessura das camadas e o calço, e o módulo de elasticidade do plástico. 14,19 Se o valor força de ligação específica não é importante, cunha as camadas além fornece um método qualitativo para avaliar se a ligação é forte o suficiente para as forças típicas e manusear o dispositivo vai encontrar durante as experiências.
testes não destrutivos são úteis para verificar a qualidade de um dispositivo, deixando-o utilizável para a sua finalidade. Um método simples e útil é inspecionar através de microscopia, centrado principalmente na cobertura de obrigações perto bordas microfeature, ou em áreas de ligação pequenas. Regiões não ligadas parecem ligeiramente mais escuro do que as regiões ligadas, devido à folga de ar entre as camadas finas de plástico, e como mostrado na Figura 4 </ Strong>, deve ser perceptível por inspeção cuidadosa com um microscópio. Encontrar regiões de plástico unbonded pode ajudar a dirigir uma segunda iteração da ligação localizada para selar partes críticas do dispositivo antes da utilização.
Uma técnica útil para alcançar laços fortes com um solvente agressivo, mas ao mesmo tempo minimizando os danos ao microcanais, é adicionar ranhuras com as portas de acesso ao projeto do dispositivo, e só adicionar solvente para as ranhuras (em vez de inundar a superfície de ligação com o solvente). Isto reduz significativamente o contacto entre o microcanal e o solvente líquido (vapor ainda entra no microcanal), e, consequentemente, reduz a deformação, como mostrado na Figura 5.
Dependendo da aplicação do dispositivo a que se destinam, testes de durabilidade a longo prazo pode não ser necessária. Por exemplo, muitos dos dispositivos são usados para as experiências biológicas, e pode residir num incubador celular envibiente (37 ° C, 100% de humidade) durante até várias semanas. A durabilidade pode ser avaliada colocando dispositivos de teste nas condições requeridas para a duração necessária, e inspeccionadas depois para uma diminuição visual na cobertura ligação (delaminação do dispositivo), ou enfraquecida força de ligação que permite que o dispositivo seja facilmente encravado separados. Exemplos são mostrados na Figura 6, e indicam a necessidade de modificar o procedimento de colagem para conseguir uma maior força de ligação.
Figura 1: Representação esquemática do processo de ligação. O processo de colagem solvente geral é mostrado. solvente líquido é adicionado entre as duas camadas do dispositivo termoplásticas a ligar. As camadas são reunidas e bolhas são removidas do líquido na interface de ligação. A pressão e o calor é aplicado ao dispositivo para a duração necessária, e o dispositivo ligado é completa. qualquer relíquido maining pode ser removido do portas abertas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Exemplos visuais de diferentes encorpado de boa qualidade. (A) Um desafio comum com muitas abordagens de colagem com solvente líquido é que a evaporação rápida ocorre perto de extremidades livres do dispositivo durante o passo de ligação ao solvente aquecido devido volatilidade. Isso muitas vezes leva a regiões de material unbonded perto dessas bordas, resultando em cobertura deficiente ligação, características microfluídicos com vazamentos, e baixa resistência de união total. Estas regiões são visíveis como manchas mais claras com franjas de interferência coloridos (setas amarelas). (B) Por outro lado, excessivamente agressivos rendimentos de ligação de solventes excelente cobertura de títulos, mas também pode causar dama significativage para microcaracterísticas, deformando assim ou fechar canais de dispositivos (setas amarelas). (C) Um sistema solvente-plástico otimizado obtém uma boa cobertura de união e resistência, e minimiza os danos microcaracterísticas enquanto ainda adequadamente selá-los. (D) Em alguns casos, a adição de retenção de solventes sulcos paralelos às bordas do dispositivo (seta amarela) pode ajudar a melhorar a cobertura de obrigações e lacrar microcaracterísticas. As ranhuras podem ser necessários se melhor cobertura ligação é necessária, mas não é desejável para aumentar a força solvente (devido ao aumento do dano resultante para microcaracterísticas). Barras de escala = 1 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: cortes transversais de dispositivos conectados. O solvente CA processo de colagemn deformar microcaracterísticas Se o solvente for demasiado agressivo, ou se a temperatura ou a pressão de colagem são demasiado elevados. Inspecionando secções transversais de dispositivos conectados irá revelar casos de deformação microfeature. Realização de tais inspecções para cada sistema de plástico de solvente específico pode ajudar a estabelecer os parâmetros ótimos para alcançar a qualidade de microcanais desejado. Imagens representativas são mostradas para cortes transversais de um canal de PMMA quadrada de 500 mm colados com apropriado (esquerda) e excessivamente agressivas (direita) misturas de solventes. Dois indicadores de medida de deformação induzida por solvente são o arredondamento dos cantos e paredes direitas, e a espessura de uma camada de solvente rico de plástico nas superfícies que estiveram em contacto com o solvente (setas amarelas). Barra de escala = 200 pm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Inspeção não-destrutiva por meio de Microscopia. inspeção cuidadosa com um microscópio óptico pode identificar regiões de plástico unbonded, especialmente perto bordas microfeature, ou em áreas de ligação pequenas. regiões não aderentes (setas vermelhas) aparecem ligeiramente mais escura do que as regiões ligadas, devido ao hiato ar entre as camadas de plástico, e franjas de interferência coloridos são, por vezes, também visível nestas áreas. Identificar regiões de má ligação pode indicar a necessidade de uma segunda iteração da ligação, com o solvente localmente adicionado a pontos problemáticos. Escala da barra = 1 mm.
Figura 5: minimizar os danos aos canais adicionando solvente Apenas para Grooves. A imagem do microscópio mostra uma secção transversal de um canal de PMMA rodeado por duas ranhuras. O solvente pode ser adicionado a groovES enquanto as duas camadas do dispositivo são pressionadas em conjunto, em vez de inundar o interface de ligação com solvente. Isto minimiza grandemente solvente contacto com o interior do microcanal, e, portanto, minimiza a deformação induzida solvente. Esta abordagem é útil quando é necessário um solvente agressivo para garantir alta resistência de união e cobertura, mas o contato entre o solvente e microcanais precisa ser minimizado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Durabilidade e Comparação com (Plasma-Assisted) Térmica de Colagem. Solvente de ligação (A) produz uma melhor qualidade de adesão do que a ligação térmica assistido por plasma (B) ou as técnicas de ligação térmica (C), e também uma melhor durabilidade na célulacondições de incubadora (37 ° C, 100% de humidade). Ambas as técnicas termais rotineiramente deixar "halos" significativas de microcaracterísticas plástico circundante não aderentes, com ligação térmica assistida por plasma ser melhor do que uma ligação térmica regular. Estas ligações também degradam ao longo do tempo, com as regiões não ligadas a crescer em tamanho. Enquanto o dispositivo COP ligado solvente não mostrou qualquer alteração na ligação ao longo de 48 horas numa incubadora (A), o dispositivo ligado plasma térmico completamente deslaminado (B). O dispositivo ligado térmico regular começou a deslaminar no prazo de 10 min em condições de ambiente (C), e também completamente deslaminado na incubadora. Barras de escala = 5 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Plástico | Solvente | | Pressão (kPa) | Duração (min) | notas | | ||
| PMMA | Etanol a 100% | 70 | 2.300 | 2 | Melhor opção se uma prensa aquecida está disponível (necessária para alta pressão). Consistentemente produz excelente cobertura de títulos (sem o uso de ranhuras de retenção de solventes), com baixa deformação das microestruturas. Requer muito pouco solvente, e é muito insensível à poeira bolhas e / sujidade na interface de ligação, devido à alta pressão. | ||
| PMMA | 75% de acetona / 25% de água | 40 | 30 | 20 | consistência inferior ao método acima e leva mais tempo, mas não necessita de pressão aquecido (pode ser feito com a placa de aquecimento e pesos livres). cobertura de obrigações é muito facilitada pelo uso de ranhuras de retenção de solventes. | ||
| POLICIAL 35% ciclo-hexano / 65% de 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | Verificou-se que pré-aquecer a placa de aquecimento provoca a evaporação muito inicial, e também conduz o embranquecimento do plástico. Em vez disso, colocar o dispositivo sobre uma placa de aquecimento a temperatura ambiente e, em seguida, aumentar a temperatura até 70 ° C (velocidade de rampa de 5 ° C / min). Depois de a temperatura estabiliza em 70 ° C (em 9 min), nós ligação a esta temperatura durante mais 15 min. | |||
Tabela 1: Parâmetros colagem por solvente. Resumo de combinações de plásticos, solventes, temperaturas e pressões para PMMA e COP protocolo de ligação por solvente.
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Discussion
A viabilidade das estratégias de ligação potenciais depende de equipamentos disponíveis. Enquanto placas são relativamente comuns e pesos livres podem ser comprados a baixo custo, as estratégias de alta pressão vai requerer o uso de uma prensa aquecida. Por exemplo, a ligação óptima receita PMMA requer alta pressão para ligar-se com etanol (ver Tabela 1), e a pressão necessária não é atingível para os tamanhos dos dispositivos típicos usando pesos livres. Assim, mesmo que apenas uma placa de aquecimento e pesos estão disponíveis, o PMMA pode em vez disso ser ligado com um solvente diferente (75% de acetona em água). Além disso, o uso de solventes que requerem um exaustor de fumos podem também limitar a viabilidade, particularmente se são necessárias pressões elevadas, uma vez que tais estratégias exigiria tanto a utilização de uma prensa aquecida e a necessidade de ajustar a prensa dentro de uma hotte. Estas considerações podem ajudar a orientar as escolhas de solventes no desenvolvimento de novos sistemas de solvente de plástico, sendo dada preferência a solventes menos nocivos e menor pressãos que ainda oferecem ligação de alta qualidade.
Depois de um método de ligação por solvente foi optimizado para um plástico específico, pode haver restantes desafios com ligação fraca cobertura perto de extremidades do dispositivo, devido aos efeitos de evaporação durante o processo de colagem. Tal como mencionado na secção de resultados representativos, uma estratégia que pode reduzir esses problemas é a adição de uma ranhura de retenção de solvente que corre em paralelo com as bordas de interesse (ou seja, a aresta exterior do dispositivo, e ao lado de quaisquer canais ou portas que exibem tipicamente dificuldade de ligação). Além disso, duas ou mais portas através de orifícios pode ser adicionado a cada ranhura (e / ou ranhuras podem ser ligadas), de tal modo que pode ser adicionado solvente directamente para dentro das ranhuras com uma pipeta. Isto tem duas utilizações potenciais: (i) podem ser adicionados às ranhuras em vez de inundar o interface de ligação, o que minimiza bastante o contacto entre o solvente e as paredes dos microcanais (ver Figura 5) solvente,e (ii) se a tentativa inicial de ligação deixa algumas áreas com cobertura pobre ligação, mais solvente pode ser adicionado localmente para uma segunda rodada de ligação, o que muitas vezes veda quaisquer áreas críticas restantes cerca de microestruturas. Vale a pena notar que sulcos pode adicionar ao tempo de fabricação, e uma vez que eles ocupam espaço no dispositivo, pode não ser passíveis de alguns projetos de alta densidade.
Um desafio comum com as estratégias de ligação é o alinhamento das camadas do dispositivo durante a ligação. Várias estratégias são possíveis, dependendo dos requisitos de precisão. Se o alinhamento não é crítica (isto é, se todas as microestruturas são sobre uma camada, a qual está ligada a uma camada de substrato de base plana), seguida por alinhamento manual mão é suficiente. Para requisitos de alinhamento mais exigentes, o alinhamento lado pode ainda ser suficiente, embora isso depende em parte da habilidade do investigador individual. Podemos rotineiramente atingir precisão de alinhamento para dentro de 100 mm, e as decisões inteligentesno dispositivo de design pode relaxar os requisitos para a precisão do alinhamento (isto é, através da concepção de tolerâncias para as microestruturas do dispositivo, se possível, de tal forma que ligeiros desvios não afetam o desempenho do dispositivo). Uma técnica útil para ajudar o alinhamento com a mão é usar tão pouco quanto possível solvente para cobrir a superfície de colagem. Com quantidades excessivas de solventes, as camadas de plástico "flutuar" sobre a camada fina de líquido, e não mantêm o seu alinhamento quando o dispositivo é transferido para a placa de aquecimento ou de pressão aquecido. Em contraste, uma camada muito fina de solvente ajuda a "pau" as camadas de plástico em conjunto e manter o alinhamento depois de serem ajustadas manualmente.
Se o alinhamento mais preciso é necessário, possíveis estratégias incluem suportes em forma de L de canto para segurar as camadas do dispositivo em conjunto, os pinos de alinhamento que entram através das camadas do dispositivo, usando fita adesiva no lado de fora do dispositivo para fixar posições camada ou gabaritos customizadas que pode segurar tele dispositivo durante o passo de ligação. Por todas estas estratégias, note que o hardware de alinhamento deve, tipicamente, ser mais curto do que a altura de pilha total do dispositivo de tal modo que a pressão pode ser aplicada à face do dispositivo durante a ligação.
O desafio para a colagem por solvente não é geralmente a largura, mas a profundidade de microcanais porque microcanais superficiais podem ser fechados por um solvente ou por excessivamente agressivo excessivamente altas temperaturas e pressões. Para uma determinada profundidade, os canais mais largos são mais susceptíveis ao colapso do que os canais estreitos. Embora não se tenha fabricado canais abaixo de 50 um de largura (devido às limitações da nossa fresadora CNC que limitam o diâmetro mínimo fresa de topo que pode usar), temos rotineiramente ligado canais que estão separadas por distâncias da ordem de 25 um. Em termos de profundidade, temos também ligado com sucesso canais muito raso (~ 15 mm) usando esse método.
Finalmente, uma comparaçãoda fase líquida ligação solvente para outras técnicas de colagem é justificada. Três outras técnicas de ligação comuns são ligação fase de vapor de solvente, soldadura por difusão térmica e ligação por difusão térmica assistida por plasma. fase de vapor partes colagem por solvente muitas das características da fase líquida colagem por solvente, mas é na nossa experiência mais difíceis de executar e menos sintonizável, levando a resultados menos consistentes. Aplicando o solvente na fase de vapor requer uma câmara de vácuo ou uma câmara de vapor com um dispositivo de suporte, e descobrimos o processo é menos controlável do que usando líquido. Além disso, as técnicas em fase de vapor raramente são propícios para utilização com misturas de solventes, uma vez que quase todas as misturas são não-azeotrópico e, assim, irão alterar a composição do líquido de fase gasosa, dependendo da temperatura e pressão ambiente.
Térmica ligação por difusão envolve pressionando as camadas de dispositivos em conjunto a uma temperatura elevada próxima da temperatura de transição vítrea(Tg) do plástico. A alta temperatura aumenta a mobilidade cadeia de polímero, permitindo que correntes para interdiffuse através da interface de ligação e formar um vínculo. 10 No entanto, porque todo o dispositivo é aquecido à mesma temperatura, a mobilidade da cadeia é aumentado em todos os lugares, e microcaracterísticas ficar distorcida e arredondado 9,10. Assim, o aumento força de ligação (devido à maior temperatura de ligação) está no custo direto de danos ao microcaracterísticas. Uma modificação a ligação térmica é a utilização de um pré-tratamento da superfície de ligação do plasma de oxigénio, que reduz o local (superfície) Tg do polímero 20. Esta ligação térmica assistido por plasma possibilita, assim, a ligação a ocorrer a temperaturas mais baixas, mais longe a maior Tg. Enquanto isto reduz a quantidade de deformação para microcaracterísticas quando em comparação com a ligação térmica, verificou-se que a cobertura presa inicial e a força são ainda muito mais baixo quando comparado com solventes de ligação, e importantly, os laços degradar ao longo horas subsequentes. Como mostrado na Figura 6, os dispositivos térmicos ligados assistidos por plasma mostrou perda significativa de cobertura de ligação ao longo de 48 horas numa incubadora celular, enquanto que os dispositivos ligados solventes não apresentaram alterações.
Aqui, descrevemos um protocolo simples e eficiente, que conta com ligação à base de solvente líquido para obter títulos de qualidade para PMMA e dispositivos microfluídicos COP. Nossos resultados demonstraram que as etapas específicas para PMMA e colagem COP vai levar a laços fortes e opticamente clara com deformação insignificante de microestruturas, e que o uso de sulcos e hardware alinhamento pode contornar questões práticas comuns durante o procedimento de colagem solvente. Incorporando este método para o processo de fabricação irá acelerar o desenvolvimento de PMMA e dispositivos microfluídicos à base policial, e permitir aos investigadores a adotar mais facilmente termoplásticos em seus projetos de dispositivos microfluídicos.
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Disclosures
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Acknowledgments
Nós reconhecemos o apoio financeiro de Ciências Naturais e Engenharia do Conselho de Investigação do Canadá (NSERC, # 436117-2013), a Sociedade de Pesquisa do Câncer (CRS, # 20172), mieloma Canadá e Grande Challenges Canada.
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. |
References
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