高通量微流体快速低成本原型制作封装方法
December 23rd, 2013
在本文中，我们介绍了微流体快速原型制作平台的不同技术。所提出的技术基于紫外线 （UV） 敏感和温度固化环氧树脂、基于聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的管材、引线键合和各向异性粘合膜。所介绍的组装程序是为一次性使用设备和可重复使用的微流体系统开发的。
该程序的总体目标是为微流体快速原型平台提供不同的选择。这是通过首先使用 PDMS 制造可移动互连器来实现的。第二步是将微管固定在互连器中或直接固定在微流控芯片上。
接下来，组装微流体芯片并连接到电气接口。最终，流体以不同的速度流经互连器并进入微流体芯片。为了评估 PDMS 互连器的强度，我在设计高电输入输出微流体芯片时首先想到了这种方法，并且需要一个易于拆卸的互连器来测试具有大量 ENC 通道电极的不同 ENC 通道电场传播模式。
首先，将 PDMS 和固化剂以 10：1 的比例混合，然后通过将混合物置于低真空下 60 分钟来脱气，以制备 PDMS。接下来，将烤箱温度预热至 80 摄氏度，然后等待温度稳定下来，同时烤箱加热。使用乙醇清洁将放置 PDMS 互连器的微流体芯片表面。
让它在无尘区域晾干。将 PDMS 培养皿转移到预热的烤箱中，让 PDMS 在 80 摄氏度下略微聚合 12 至 15 分钟，将要连接的微流体芯片放入带有 PDMS 层的烤箱中，使其在 15 分钟后处于相同的温度。从固化炉中取出 PDMS 和微流体芯片。
然后用剃须刀片切出一块 5 x 5 毫米的 PDMS。然后在 PDMS 层上打两个两毫米的孔。从培养皿中取出 PDMS 并将其放在微流体芯片上。
注意精确对齐孔，然后轻轻地将 PDMS 压入到位。互连器就位后，使用新刀片修剪两根内径为 100 微米的直径为毫米的特氟龙管，以便微管的边缘最终垂直于其长度切割。管路应足够长，以便连接到注射泵，而不会对互连器施加任何压力。
如有必要，使用微型定位器将管插入 PDMS 互连层，在管和 PDMS 之间添加环氧树脂以获得更好的粘附性。然后将管子的另一端连接到液体注射系统。作为基于 PDMS 的互连器的替代方案，可以使用环氧树脂将微管永久固定到位。
为此，请使用微型定位器小心地将微管放入微流体芯片的检修孔中。然后在检修孔周围涂上 UV 固化树脂或标准环氧树脂，并根据制造商的规格进行固化。首先，将表面贴装多引脚电气连接器焊接到印刷电路板上。
然后检查微流控芯片的电垫，并通过将等离子体氧气暴露约 10 分钟来清洁任何表面污染，所需时间或多或少，具体取决于所需的清洁量。如果未发现表面污染，只需用乙醇清洁垫子即可。接下来，使用锋利的刀片将导电胶带切割成 2 毫米 x 1 毫米的小块，使它们与微流体芯片的尺寸相同。
电垫。然后使用干净的镊子将导电胶带放在印刷电路板上，在电气焊盘上。将微流体芯片与印刷电路板上方已经就位的互连器对齐。
使用对准机在印刷电路板上放置纸等绝缘层以避免短路，然后在组装完成后使用机械螺钉和螺母连接金属支架。通过将去离子水流经注射泵来开始测试各个设置。缓慢提高泵速，直到系统开始泄漏，此时已达到最大压力。
实验结束后，拆下机器螺丝螺母和金属支架。然后轻轻地将微流控芯片和印刷电路板分开。最后，在重新组装之前，使用乙醇去除印刷电路板和微流体芯片上电气焊盘上的导电胶带粘合剂。
下表中比较了三种不同的互连管连接技术。当必须揭露微流体设计并需要快速原型设计时，建议将 PDMS 互连器用于低压应用。标准环氧树脂和 UV 环氧树脂提供强大的互连性，可用于低压和高压应用，但会与设备形成永久密封，这可能是不需要的。
此处显示了 PDMS 互连器与一些更常见的互连器设置的比较。1 毫米厚的 PDMS 互连器可以承受 0.45 毫米厚互连器三倍的压力。这与 1 毫米厚的互连器的流速是 0.45 毫米互连器的五倍。一旦掌握，如果作得当，这项技术可以在 10 到 20 分钟内完成。
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概述
本文介绍了用于微流控快速原型制作平台的各种技术，重点关注PDMS和其他材料的使用。所描述的方法便于组装一次性和可重复使用的微流控系统。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 原型制作技术
- 材料科学
背景
- 微流控设备对于各种生物应用至关重要。
- PDMS因其良好的性能而成为微流控中广泛使用的材料。
- 快速原型制作技术使微流控系统的快速开发和测试成为可能。
- 了解组装方法对于设备的功能性至关重要。
研究目的
- 探索微流控快速原型制作平台的不同选项。
- 演示使用PDMS制造可拆卸互连器的方法。
- 评估微流控芯片的组装和性能。
使用的方法
- 使用PDMS制造可拆卸互连器。
- 将微管固定在互连器或直接固定在微流控芯片上。
- 组装微流控芯片并将其连接到电气接口。
- 通过互连器向微流控芯片内流动流体。
主要结果
- 成功制造PDMS互连器。
- 演示了微流控设备的组装方法。
- 评估了流体在不同速度下通过微流控系统的流动。
- 洞察了互连器在测试电场传播中的性能。
结论
- 所介绍的技术对于微流控原型制作是有效的。
- PDMS互连器为设备测试提供了灵活的解决方案。
- 这些方法可以适用于各种微流控应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Rapid and cost-effective microfluidic prototyping is critical for accelerating early-stage assay development and device validation in biopharma R&D. The described packaging methods enable flexible, scalable assembly of microfluidic platforms, supporting iterative design and functional testing. These capabilities directly impact the speed and reliability of preclinical workflows and device-based screening strategies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates rapid prototyping of microfluidic devices for hypothesis-driven experiments.
- Enables functional validation of device-integrated biological assays under variable flow and pressure conditions.
- Supports iterative design cycles for optimizing device architecture and connectivity.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible assembly for microfluidic assay platforms.
- Allows for both permanent and reusable device configurations to match screening throughput needs.
- Enables quantitative evaluation of fluidic and electrical performance across device variants.
Translational & Preclinical Research
- Supports adaptation of microfluidic systems for disease-relevant model integration when required.
- Maintains device observability for short-channel applications, aiding in mechanistic studies.
- Offers flexibility for preclinical assay transfer and validation across research teams.
Pipeline & Workflow Integration
These packaging methods position microfluidic prototyping at the intersection of early discovery, assay development, and preclinical device validation.
- Discovery Biology: Enables rapid hypothesis testing and device-based pathway interrogation.
- Screening: Delivers reproducible, scalable assembly for high-throughput assay platforms.
- Analytics: Provides quantitative readouts of flow, pressure, and electrical connectivity for comparative analysis.
- Translational Research: Supports continuity from prototype to preclinical validation when device-based assays are required.
- Enterprise Reuse: Offers reusable device configurations, reducing cost and increasing platform flexibility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device-based assay performance and target validation.
- Operational Value: Standardizes assembly workflows, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions for device-enabled screening and assay platforms.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of device-based assay development projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication and assembly techniques.
- Needs access to curing ovens, micromanipulators, and analytical instrumentation for flow and pressure testing.
- Demands cross-team standardization of assembly protocols for reproducibility.
- Adaptation across different device architectures may require optimization of PDMS thickness and interconnect design.
- Reusable configurations are limited to low-pressure applications unless further sealed via plasma-oxygen treatment.
