Summary
unión con disolvente es un método sencillo y versátil para la fabricación de dispositivos microfluídicos termoplásticos con enlaces de alta calidad. Se describe un protocolo para lograr enlaces fuertes, ópticamente transparentes en PMMA y dispositivos de microfluidos de la COP que preservan detalles microfeature, por una combinación juiciosa de presión, temperatura, un disolvente apropiado, y la geometría del dispositivo.
Abstract
dispositivos de microfluidos termoplásticos ofrecen muchas ventajas sobre aquellos hechos de elastómeros de silicona, pero los procedimientos de unión deben ser desarrollados para cada termoplástica de interés. unión con disolvente es un método sencillo y versátil que puede utilizarse para fabricar dispositivos a partir de una variedad de plásticos. Se añade un disolvente apropiado entre dos capas de dispositivos que han de unirse, y el calor y la presión se aplica al dispositivo para facilitar la unión. Mediante el uso de una combinación apropiada de disolvente, de plástico, el calor y la presión, el dispositivo se puede sellar con un enlace de alta calidad, que se caracteriza por tener una alta cobertura de enlace, resistencia de la unión, la claridad óptica, durabilidad en el tiempo, y baja deformación o daño a microfeature geometría. Se describe el procedimiento para los dispositivos de unión hechas de dos termoplásticos populares, poli (metil-metacrilato) (PMMA), y polímeros de ciclo-olefina (COP), así como una variedad de métodos para caracterizar la calidad de las uniones resultantes, y estrategias a troubleshoot bonos de baja calidad. Estos métodos se pueden utilizar para el desarrollo de nuevos protocolos de unión con disolvente para otros sistemas de plástico en disolventes.
Introduction
Microfluídica ha surgido en los últimos veinte años como una tecnología muy adecuada para el estudio de la química y la física en la microescala 1, y con el crecimiento de la promesa de contribuir significativamente a la investigación en biología de 2 - 4. La mayoría de los dispositivos de microfluidos históricamente se han hecho a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), un elastómero de silicona que es fácil de usar, de bajo costo, y ofrece la replicación característica de alta calidad 5. Sin embargo, ha PDMS deficiencias bien documentado y es incompatible con la fabricación de alto volumen procesa 6,7, y, como tal, ha habido una tendencia creciente hacia la fabricación de dispositivos de microfluidos a partir de materiales termoplásticos, debido a su potencial para la fabricación en masa y por lo tanto la comercialización.
Una de las principales barreras para la adopción más amplia de microfabricación de plástico ha sido el logro de fácil unión, la calidad alta de dispositivos de plástico. Las estrategias actuales emplean thermal, adhesivo, y las técnicas de unión por disolvente, pero muchos sufren de importantes desafíos. La unión térmica aumenta la autofluorescencia 8 y, a menudo deforma geometrías de microcanales 9-11, mientras que las técnicas adhesivas requieren plantillas, alineación cuidadosa, y en última instancia dejar el espesor del adhesivo expuesto al microcanal 10. Unión con disolvente es atractivo debido a su simplicidad, capacidad de ajuste, y el bajo costo 10,12 - 14. En particular, su capacidad de ajuste permite la optimización para una variedad de plásticos, que puede producir la unión consistente, de alta calidad que minimiza la deformación de microfeatures 14.
Durante unión con disolvente, la exposición a disolventes aumenta la movilidad de las cadenas de polímero cerca de la superficie del plástico, lo que permite inter-difusión de las cadenas a través de la interfaz de unión. Esto hace que el entrelazamiento a través de enclavamiento mecánico de las cadenas de difusión, y resulta en apvínculo ÍSICA 10. La unión térmica funciona de una manera similar, pero se basa en la temperatura elevada solo para aumentar la movilidad de la cadena. Por lo tanto, los métodos térmicos requieren temperaturas cerca o por encima de la transición vítrea del polímero, mientras que el uso de disolventes puede reducir significativamente la temperatura necesaria para la unión, y por lo tanto reducir la deformación no deseada.
Proporcionamos un protocolo específico para la unión de ambas PMMA y dispositivos de la COP. Sin embargo, este protocolo y método describe un método sencillo y genérico para la unión con disolvente de dispositivos de microfluidos termoplásticos que se pueden adaptar para otros materiales plásticos, solventes, y los equipos disponibles. Se describen numerosos métodos para evaluar la calidad de los enlaces (por ejemplo, la cobertura de bonos, fuerza de adhesión, durabilidad de la unión, y la deformación de geometrías microfeature), y proporcionar enfoques de solución de problemas para hacer frente a estos desafíos comunes.
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Protocol
Nótese que todos los pasos que se describen a continuación se han desarrollado y realizado en un entorno no-sala limpia. Los pasos unión con disolvente sin duda se pueden realizar en una sala limpia, si está disponible, pero esto no es necesario.
1. Preparación de termoplástico microfluidos de capas de Dispositivos
- Diseño y fabricar capas de dispositivos de microfluidos del termoplástico de elección, utilizando un método de fabricación adecuado (por ejemplo, microfresa 15, gofrado 16 - 18, moldeo por inyección).
- Una inspección visual de las capas de dispositivos para asegurarse de que los bordes estén "limpios" (es decir, no hay rebabas o aristas de material sobrante del proceso de fabricación). Para obtener los mejores resultados, compruebe que todos los bordes de micro-mecanizado de características, además de los bordes exteriores del dispositivo bajo un microscopio óptico.
- Si se encuentra material sobrante durante la inspección visual, utilizar una hoja de afeitar, o un bisturí para eliminar cuidadosamente el paspartúerial que evita que las capas de dispositivos por haber estado acostado uno contra el otro por lo que las interfaces de las capas entran en contacto conforme.
- dispositivo de limpieza de superficies con jabón de laboratorio y agua y secar con aire comprimido. Sumergir capas de dispositivos en 2-propanol durante 2 min y secar con aire comprimido.
2. unión con disolvente
- Preparar prensa calentada (por PMMA) o placa de cocción (por COP).
- Para PMMA (acrílico fundido, temperatura de transición vítrea de ~ 100-110 ° C) 18 de precalentamiento de prensa a 70 ° C, y permitir que la temperatura se estabilice.
- Para COP (temperatura de transición vítrea de 102 ° C, desde el fabricante), precalentar placa caliente a 25 ° C, y permitir que la temperatura se estabilice.
- Preparar disolvente para proceso de unión.
- Para PMMA, medir 0,5 ml de etanol por pulgada cuadrada de área de unión.
- Para la COP, preparar una mezcla 65:35 de 2-propanol y ciclohexano, ingenioha volumen total de 0,5 ml de la mezcla por pulgada cuadrada de área de unión.
NOTA: Para la CP, utilizar pipetas de vidrio y contenedores, como ciclohexano se disuelve el material de laboratorio polipropileno común. Realizar todas las mezclas y la unión en una campana de extracción, como ciclohexano es tóxico.
- Dispensar 0,1 ml de disolvente por pulgada cuadrada de área de unión entre las capas de plástico limpiado y llevar las capas juntas. Realice una inspección visual de las burbujas de aire en la interfaz de unión, que son comunes, y se deberían eliminar tanto como sea posible.
NOTA: Es beneficioso trabajar rápidamente una vez que el disolvente se ha dispensado, como disolventes volátiles comenzarán a evaporar (y por lo tanto, mezclas de disolventes cambiarán en la composición).- Si hay burbujas, deslice las dos capas de plástico a lo largo de la interfaz de unión de modo que casi se separan (pero permanecer en contacto), y luego deslice de nuevo juntos.
- Alinear las capas del dispositivo con clavijas de alineación,una plantilla de encargo, o simplemente con la mano (ver sección de debate para más detalles).
- Si el uso de pasadores de alineación, alinear los agujeros para los pasadores, e inserte las clavijas en la pila de dispositivos.
- Si se utiliza una plantilla personalizada, inserte la pila de dispositivos en la plantilla y apriete alrededor del dispositivo.
- Si la alineación con la mano, use los dedos para alinear los bordes exteriores del dispositivo.
- Coloque el dispositivo con el disolvente en la prensa precalentado (por PMMA) o sobre la placa calefactora precalentada (por COP).
- Para PMMA, aplicar 2.300 kPa de presión durante 2 minutos.
- Para la COP, se aplican 350 kPa de presión. Aumentar la temperatura de 25 ° C a 70 ° C a una velocidad de 5 ° C / min. Después de alcanzar 70 ° C (después de 9 min), fianza por 15 minutos más.
- Utilizar pinzas para quitar con seguridad el dispositivo caliente para su inspección. La vinculación es ahora completa.
- Eliminar todo el líquido que queda en el dispositivo (en microcanales u otros features).
- Para PMMA, eliminar todo el líquido restante con aire comprimido. Para la COP, coloque el dispositivo en condiciones de servidumbre en la zona de cocción y cocer al horno a 45 ° C durante 24 horas para eliminar cualquier resto de ciclohexano.
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Representative Results
Un esquema del procedimiento general unión con disolvente se muestra en la Figura 1. La forma más fácil de evaluar la calidad de la unión es inspeccionar visualmente la cobertura de bonos, ya que la escasa cobertura de enlace es fácilmente visible como regiones de plástico no unido, y es indicativo de unión débil. Tales regiones son típicamente cerca de los bordes libres (por ejemplo, la periferia de dispositivo, o cerca de los puertos abiertos o microcanales), y también pueden aparecer a menudo alrededor de las partículas de suciedad o polvo en la interfaz de unión. La cobertura pobre adhesión debido a la unión débil se ve típicamente durante la etapa de desarrollo del protocolo, antes de que se descubra que la composición y la unión con disolvente óptimas condiciones, y los ejemplos se muestran en la Figura 2A. Típicamente, débil unión sugiere la necesidad de uno o más de: (i) un disolvente más agresivo (es decir, una solución de concentración más alta, o un disolvente diferente), (ii) una temperatura de unión superior, y (iii) un mayor pr uniónEssure.
Por el contrario, las condiciones de unión demasiado agresivos pueden dar lugar a una excelente cobertura de enlace con la alta resistencia de la unión, sino también dañado o sellado microfeatures, como se muestra en la Figura 2B. Esto es lo más a menudo debido al disolvente ser demasiado agresivo, a pesar de las altas temperaturas (se acerca a la temperatura de transición vítrea del plástico) también puede causar una deformación significativa.
Una alta calidad, el dispositivo bien adheridas tiene tanto una buena cobertura de enlace y la deformación mínima de microfeatures, como se muestra en la Figura 2C. Dependiendo del disolvente y la temperatura de elección, puede ser difícil de lograr una buena cobertura de enlace cerca de los bordes libres del dispositivo si el disolvente es muy volátil y por lo tanto se evapora rápidamente. En estas situaciones, la adición de pequeñas micro ranuras para el diseño del dispositivo, a lo largo de los bordes de interés, puede ayudar a mitigar la evaporación del disolvente y por lo tantomejorar la cobertura de enlace, como se muestra en la Figura 2D. Utilizamos típicamente ranuras con dimensiones de sección transversal de 500 x 500 m, colocamos 300 m desde el borde. 14
Además de la inspección visual general de la cobertura de bonos, tanto las pruebas destructivas y no destructivas deben ser utilizados para investigar más a fondo la calidad del vínculo y el daño microfeature. Dos ensayos destructivos que son útiles en la etapa de desarrollo del protocolo son: (i) seccionamiento transversal y (ii) acuñamiento de aparatos distintos unidos, para evaluar la geometría microfeature y fuerza de adherencia, respectivamente. Preferimos utilizar microfresadora a la sección de nuestros dispositivos, ya que nos encontramos con esto ofrece una buena combinación de comodidad, precisión y superficies relativamente limpias. En ausencia de una fresadora otros enfoques pueden ser utilizados, a pesar de que presentarán diferentes retos. Los ejemplos incluyen el corte con una sierra de diamante o una sierra de banda (hojas de superficies rugosas), rompiendo con cuidadoun dispositivo a lo largo de líneas marcadas (puede ser difícil debido al grosor y tensión de corte puede causar dispositivo a la delaminación), o simplemente lijando parte del dispositivo (tiempo). Las superficies rugosas de corte pueden suavizarse con el lijado.
Cualquiera que sea el método utilizado, los dispositivos deben ser seccionadas perpendicular a microfeatures de interés, y pueden ser inspeccionados visualmente utilizando un microscopio óptico. El tamaño y forma de las secciones transversales microfeature indicarán la cantidad de deformación se ha producido debido a la unión. disolventes menos agresivos y más bajas temperaturas y presiones, preservarán mejor bordes afilados y paredes rectas, mientras que las condiciones más agresivas causarán redondeo de las esquinas y paredes, así como una disminución en el área de la sección transversal debido a la hinchazón del polímero. Imágenes de resultados típicos se muestran en la Figura 3.
La resistencia de unión se puede medir por parcialLy acuñamiento aparte las capas unidas con una cuña y la medición de la distancia desde el borde de la cuña hacia el borde de la región de la delaminación. La resistencia de la unión se puede calcular a partir de esta distancia, el espesor de las capas y la cuña, y el módulo de elasticidad del plástico. 14,19 Si el valor de resistencia de la unión específica no es importante, acuñando las capas menos proporciona un método cualitativo para evaluar si la unión es lo suficientemente fuerte como para las fuerzas típicas y manipular el dispositivo se encontrará durante los experimentos.
pruebas no destructivas son útiles para la comprobación de la calidad de un dispositivo al tiempo que deja utilizable para los fines previstos. Un método sencillo y útil es inspeccionar a través de microscopía, centrándose principalmente en la cobertura de bonos cerca de los bordes microfeature, o en pequeñas áreas de unión. Regiones no unidas aparecen ligeramente más oscuro que regiones unidas debido a la separación de aire delgada entre las capas de plástico, y como se muestra en la Figura 4 </ Strong>, debería ser evidente mediante inspección cuidadosa con un microscopio. Encontrar regiones de plástico no unida puede ayudar a dirigir una segunda iteración de unión localizada para sellar las partes críticas del dispositivo antes de su uso.
Una técnica útil para la consecución de uniones fuertes con un disolvente agresivo, pero mientras que minimiza el daño a los microcanales, es agregar ranuras con los puertos de acceso al diseño del dispositivo, y sólo añadir disolvente a las ranuras (en lugar de inundar la superficie de unión con disolvente). Esto reduce en gran medida el contacto entre el microcanal y el disolvente líquido (vapor todavía entra en el microcanal), y por lo tanto reduce la deformación, como se muestra en la Figura 5.
Dependiendo de la aplicación del dispositivo previsto, se puede requerir pruebas de durabilidad a largo plazo. Por ejemplo, muchos de nuestros dispositivos se utilizan para experimentos biológicos, y pueden residir en un incubador de células ENVIam- (37 ° C, 100% de humedad) hasta por varias semanas. Durabilidad se puede evaluar mediante la colocación de dispositivos de prueba en las condiciones requeridas para la duración requerida, y se inspeccionó después de una disminución visual de la cobertura de enlace (delaminación del dispositivo), o se debilita la fuerza de unión que permite que el dispositivo sea fácilmente encajada aparte. Los ejemplos se muestran en la Figura 6, e indican la necesidad de modificar el procedimiento de adhesión para lograr una mayor resistencia de la unión.
Figura 1: Esquema de proceso de unión. Se muestra el proceso general unión con disolvente. se añade disolvente líquido entre las dos capas de dispositivos termoplásticos a unir. Las capas se unen y las burbujas se retiran del líquido a la interfaz de unión. La presión y el calor se aplican al dispositivo para la duración requerida, y el dispositivo de servidumbre es completa. cualquier relíquido restante puede ser retirado de puertos abiertos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Ejemplos visuales de calidad de la unión variable. (A) Un desafío común con muchos enfoques de unión disolvente líquido es que la rápida evaporación se produce cerca de los bordes libres del dispositivo durante la etapa de unión se calienta debido al disolvente volatilidad. Esto a menudo conduce a zonas de material no unido cerca de estos bordes, dando como resultado una pobre cobertura de bonos, las características de microfluidos con fugas y baja resistencia global de bonos. Estas regiones son visibles como manchas más claras con franjas de interferencia de colores (flechas amarillas). (B) Por el contrario, demasiado agresivas rendimientos unión con disolvente excelente cobertura de bonos, pero también puede causar dama significativage a microfeatures, deformando o cierre de canales de dispositivos (flechas amarillas) de esta manera. (C) Un sistema de disolvente y plástico optimizado logra una buena cobertura de bonos y la fuerza, y minimizando el daño al microfeatures al tiempo que les sellado correctamente. (D) En algunos casos, la adición de retención de disolventes ranuras paralelas a los bordes del dispositivo (flecha amarilla) puede ayudar a mejorar la cobertura de bonos y sellar adecuadamente microfeatures. Las ranuras pueden ser necesarios si se requiere una mejor cobertura de enlace, pero que no es deseable para aumentar la fuerza de disolvente (debido al aumento de los daños resultantes de microfeatures). Barras de escala = 1 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: secciones transversales de dispositivos que han establecido. El proceso de unión por disolvente can deformar microfeatures si el disolvente es demasiado agresivo, o si la temperatura de unión o la presión son demasiado altas. La inspección de las secciones transversales de los dispositivos enlazados revelará incidentes de deformación microfeature. Llevar a cabo tales inspecciones para cada sistema plástico-disolvente específico puede ayudar a establecer los parámetros óptimos para lograr la calidad deseada de microcanales. Se muestran imágenes representativas de secciones transversales de un canal de PMMA cuadrada de 500 micras adheridas con adecuada (izquierda) y excesivamente agresivas (derecha) mezclas de disolventes. Dos indicadores de la magnitud de la deformación inducida por disolvente son el redondeo de las esquinas y paredes rectas, y el espesor de una capa rica en disolvente de plástico en las superficies que estaban en contacto con el disolvente (flechas amarillas). Barra de escala = 200 micras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: La inspección no destructiva a través de microscopía. La inspección cuidadosa con un microscopio óptico puede identificar regiones de plástico no adherente, sobre todo cerca de los bordes microfeature, o en pequeñas áreas de unión. regiones no unidas (flechas rojas) aparecen ligeramente más oscuro que regiones unidas por el espacio de aire entre las capas delgadas de plástico, y franjas de interferencia de colores son a veces también visible en estas áreas. La identificación de regiones pobres de unión puede indicar la necesidad de una segunda iteración de la unión, con disolvente añadido localmente a los puntos conflictivos. Barra de escala = 1 mm.
Figura 5: se minimiza el daño a los canales mediante la adición de disolventes Sólo a las ranuras. La imagen de microscopio muestra una sección transversal de un canal de PMMA rodeado por dos ranuras. Disolvente puede añadirse a GroovES mientras que las dos capas del dispositivo se presionan entre sí, en lugar de inundar la interfaz de unión con disolvente. Esto reduce al mínimo en gran medida de contactos de disolvente con el interior del microcanal, y por lo tanto minimiza la deformación de disolvente inducido. Este enfoque es útil cuando se necesita un disolvente agresivo para asegurar una alta fuerza de adherencia y cobertura, pero el contacto entre el disolvente y microcanales necesita ser minimizado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: La durabilidad y la comparación con (asistida por plasma) de termosoldadura. Unión con disolvente (A) produce una mejor calidad de la unión de la unión asistida por plasma térmico (B) o técnicas de unión térmica (C), y también una mejor durabilidad en la celdacondiciones de incubadora (37 ° C, 100% de humedad). Ambas técnicas térmicas dejan rutinariamente significativos "halos" de plástico que rodea microfeatures no unidas, con unión térmica asistida por plasma es mejor que la unión térmica regular. Estos enlaces también se degradan con el tiempo, con las regiones no unidas creciendo en tamaño. Mientras que el dispositivo de COP unido disolvente no mostró ningún cambio en la unión de más de 48 horas en una incubadora (A), el dispositivo unido plasma térmico deslaminado completamente (B). El dispositivo enlazado térmico normal empezó a deslaminar dentro de 10 min en condiciones ambiente (C), y también deslamina por completo en la incubadora. Las barras de escala = 5 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| El plastico | Solvente | | Presión (kPa) | Duración (min) | notas | | ||
| PMMA | 100% Etanol | 70 | 2.300 | 2 | Mejor opción si una prensa calentada está disponible (necesario para la alta presión). Consistentemente produce una excelente cobertura de enlace (sin el uso de ranuras de retención de solvente), con baja deformación de microfeatures. Requiere muy poco disolvente, y es muy poco sensible a las burbujas y el polvo / suciedad en la interfaz de unión debido a la alta presión. | ||
| PMMA | 75% de acetona / 25% de agua | 40 | 30 | 20 | consistencia inferior al método anterior y toma más tiempo, pero no requiere prensa caliente (se puede hacer con placa calefactora y pesas). la cobertura de bonos es ayudado en gran medida por el uso de ranuras de retención de solventes. | ||
| POLICÍA 35% de ciclohexano / 65% 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15* | Hemos encontrado que el pre-calentamiento de la placa de cocción provoca demasiada evaporación inicial, y también conduce a blanqueamiento del plástico. En su lugar, coloque el dispositivo sobre una placa calefactora temperatura ambiente y luego aumentar la temperatura a 70 ° C (tasa de incremento de 5 ° C / min). Después que la temperatura se estabiliza a 70 ° C (en 9 min), que enlace a esta temperatura durante 15 min adicionales. | |||
Tabla 1: Parámetros de unión con disolvente. Resumen de combinaciones de plásticos, disolventes, temperaturas y presiones de PMMA y COP protocolo de unión con disolvente.
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Discussion
La viabilidad de las estrategias potenciales de unión depende del equipo disponible. Mientras fogones son relativamente comunes y pesas se puede comprar barato, las estrategias de alta presión se requiere el uso de una prensa calentada. Por ejemplo, nuestra receta óptima unión PMMA requiere alta presión para unir con etanol (ver Tabla 1), y la presión requerida no es alcanzable para los tamaños de los dispositivos típicos utilizando pesas libres. Por lo tanto, si solamente una placa de cocción y los pesos están disponibles, PMMA puede en cambio estar unido con un disolvente diferente (75% de acetona en agua). Además, el uso de disolventes que requieren una campana de extracción también puede limitar la viabilidad, especialmente si se necesitan altas presiones, ya que tales estrategias requeriría tanto el uso de una prensa calentada y la necesidad de adaptarse a la prensa dentro de una campana de humos. Estas consideraciones pueden ayudar a guiar las opciones de disolvente en el desarrollo de nuevos sistemas de disolventes de plástico, dando preferencia a los disolventes menos nocivos y presión más bajas que siguen ofreciendo la unión de alta calidad.
Después de un método de unión por disolvente ha sido optimizado para un plástico específico, puede haber restantes desafíos con escasa cobertura de enlace cerca de los bordes del dispositivo, debido a los efectos de evaporación durante el proceso de unión. Como se mencionó en la sección de resultados representativos, una estrategia que puede mitigar estos problemas es la adición de una ranura de retención de disolvente que corre paralela a los bordes de interés (es decir, el borde exterior del dispositivo, y al lado de los canales o puertos que típicamente exhiben dificultad de unión). Además, dos o más puertos a través de hoyos se pueden añadir a cada ranura (y / o ranuras se pueden conectar), de manera que el disolvente se puede añadir directamente en las ranuras con una pipeta. Esto tiene dos usos potenciales: (i) disolvente puede ser añadido a las ranuras en lugar de inundar la interfaz de unión, lo que minimiza en gran medida el contacto entre el disolvente y las paredes de los microcanales (véase la Figura 5),y (ii) si el primer intento de unión deja algunas áreas con cobertura de enlace pobre, más solvente se pueden añadir de forma local para una segunda ronda de unión, que a menudo sella cualquier áreas críticas restantes alrededor de microfeatures. Vale la pena señalar que las ranuras pueden añadir a tiempo de fabricación, y debido a que ocupan espacio en el dispositivo, no pueden ser susceptibles a algunos diseños de alta densidad.
Un desafío común con las estrategias de unión es la alineación de las capas del dispositivo durante la unión. Varias estrategias son posibles, dependiendo de los requisitos de precisión. Si la alineación no es crítica (es decir, si todos los microfeatures son de una sola capa, que está unido a una capa de sustrato subyacente plana), entonces alineación manual a mano es suficiente. Para los requisitos de alineación más exigentes, la alineación de mano puede todavía ser suficiente, aunque esto depende algo de la habilidad del investigador individual. Podemos lograr rutinariamente la alineación de precisión de menos de 100 micras, y las decisiones inteligentesen el dispositivo de diseño puede relajar los requisitos para la aproximación de precisión (es decir, mediante el diseño de tolerancias en las microfeatures del dispositivo, si es posible, de manera que pequeños desajustes de alineación no afectan el rendimiento del dispositivo). Una técnica útil para ayudar con la alineación de la mano es utilizar tan poco disolvente como sea posible para cubrir la superficie de unión. Con cantidades excesivas de disolvente, las capas de plástico "flotan" sobre la capa delgada de líquido, y no mantienen su alineación cuando el dispositivo se transfiere a la placa de cocción o de prensado calentado. Por el contrario, una capa muy delgada de disolvente ayuda a "pegarse" las capas de plástico juntos y mantener la alineación después de que se ajustan a mano.
Si se requiere una alineación más precisa, las posibles estrategias incluyen soportes en forma de L de las esquinas para mantener las capas de dispositivos juntos, pasadores de alineación que van a través de las capas del dispositivo, el uso de cinta adhesiva en el exterior del dispositivo para asegurar las posiciones de capa, o plantillas hechas a medida que puede contener tél dispositivo durante la etapa de unión. Por todas estas estrategias, en cuenta que el hardware alineación debe típicamente ser más corto que la altura total de pila del dispositivo de tal manera que la presión se puede aplicar a la cara del dispositivo durante la unión.
El reto para la unión de disolvente es por lo general no la anchura, pero la profundidad de microcanales porque microcanales poco profundas se pueden contraer por un disolvente demasiado agresivo o por excesivamente altas temperaturas y presiones. Para una profundidad determinada, canales más anchos son más susceptibles a colapsar de canales estrechos. Aunque no hemos fabricado canales por debajo de 50 micras de anchura (debido a las limitaciones de nuestra máquina de fresado CNC que restringen el diámetro fresa radial mínimo podemos usar), que se han unido de forma rutinaria los canales que están separadas por distancias del orden de 25 micras. En términos de profundidad, también hemos unido con éxito los canales poco profundos (~ 15 micras) utilizando este método.
Finalmente, una comparaciónde la fase líquida se justifica unión con disolvente a otras técnicas de unión. Otros tres técnicas de unión común son la unión fase de vapor de disolvente, unión por difusión térmica, y la unión por difusión térmica asistida por plasma. unión acciones de disolvente en fase de vapor muchas de las características de unión con disolvente en fase líquida, pero es en nuestra experiencia más difícil de realizar y menos sintonizable, que conduce a resultados menos consistentes. La aplicación de disolvente en la fase vapor requiere ya sea una cámara de vacío o una cámara de vapor con un soporte de dispositivo, y encontramos que el proceso es menos controlable que el uso de líquido. Además, las técnicas en fase de vapor rara vez son susceptibles para su uso con mezclas de disolventes, ya que casi todas las mezclas son no azeotrópica, y por lo tanto va a cambiar su composición de líquido a fase gas, dependiendo de la presión y la temperatura ambiente.
Thermal unión por difusión consiste en presionar las capas de dispositivos juntos a temperatura elevada cerca de la temperatura de transición vítrea(Tg) del plástico. La alta temperatura aumenta la movilidad de la cadena de polímero, lo que permite a las cadenas interdiffuse a través de la interfaz de unión y forman un enlace. 10 Sin embargo, debido a que todo el dispositivo se calienta a la misma temperatura, movilidad de la cadena se incrementa en todas partes, y microfeatures distorsionarse y redondeado 9,10. Por lo tanto, el aumento de resistencia de la unión (debido a una mayor temperatura de unión) se produce en el costo directo de los daños a microfeatures. Una modificación a la unión térmica es el uso de un tratamiento de superficie con plasma de oxígeno pre-unión, lo que reduce el local (superficie) T g del polímero 20. Por tanto, esta unión térmica asistida por plasma permite que se produzca la unión a temperaturas más bajas, más lejos de la mayor T g. Si bien esto reduce la cantidad de deformación a microfeatures cuando se compara con la unión térmica, se ha encontrado que la cobertura de enlace inicial y la fuerza son todavía mucho más baja cuando se compara con disolvente de unión, y importantly, los bonos se degradan con el horas posteriores. Como se muestra en la Figura 6, los dispositivos unidos térmica asistida por plasma mostraron una pérdida significativa de la cobertura de enlace más de 48 horas en un incubador de células, mientras que los dispositivos unidos de disolventes no mostraron cambios.
A continuación, describimos un protocolo simple, eficiente, que se basa en la unión con disolvente de base líquida para conseguir enlaces de calidad para PMMA y dispositivos de microfluidos COP. Nuestros resultados demuestran que los pasos específicos para PMMA y unión COP dará lugar a lazos fuertes y ópticamente transparentes con deformación insignificante de microfeatures, y que el uso de ranuras de alineación y el hardware puede eludir cuestiones prácticas comunes durante el procedimiento de unión con disolvente. La incorporación de este método en el proceso de fabricación se acelerará el desarrollo de PMMA y dispositivos de microfluidos basada en la COP, y permitirá a los investigadores a adoptar más fácilmente los termoplásticos en sus diseños de dispositivos de microfluidos.
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Disclosures
Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Acknowledgments
Reconocemos el apoyo financiero de las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC, # 436117 hasta 2.013), la Sociedad de Investigación del Cáncer (CRS, # 20172), Mieloma Canadá y Gran Desafíos Canadá.
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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