Name: 溶剂粘接的PMMA的制备和COP微流体装置 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 54 s
Description: 学习溶剂粘接技术制备PMMA和COP热塑性微流控装置的方法。该技术可实现高质量键合，适用于细胞培养系统和即时诊断工具的原型开发，为生物医学工程研究提供简单可靠的制备方案。

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我们感谢加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC，#436117-2013）、加拿大癌症研究学会（CRS，#20172）、加拿大骨髓瘤协会以及加拿大重大挑战基金会提供的资金支持。

请注意，以下所述的所有步骤均已在非洁净室环境中开发和实施。溶剂键合步骤当然可以在洁净室中进行（如果条件允许），但并非必需。
1. 热塑性微流控装置层的制备
<ol>
	<li>选用合适的热塑性材料，采用适当的加工方法设计并制造微流控装置的各层结构例如，微铣削15，压纹16-18，注塑成型）。</li>
	<li>目视检查装置各层，确保边缘整齐 &#34;清洁&#34; (即，无毛刺或加工残留物形成的脊状突起）。为获得最佳效果，除装置外缘外，还应在光学显微镜下检查所有加工出的微细结构边缘。</li>
	<li>若在目视检查中发现残留物，应使用剃刀刀片或手术刀小心去除任何阻碍器件各层紧密贴合的材料，以确保各层界面实现共形接触。</li>
	<li>用实验室肥皂和水清洁设备表面，并用压缩空气吹干。将设备各层浸入2-丙醇中2分钟，然后用压缩空气吹干。</li>
</ol>
2. 溶剂粘接
<ol>
	<li>准备加热压机（用于PMMA）或加热板（用于COP）。
	<ol>
		<li>对于PMMA（浇铸丙烯酸，玻璃化转变温度约为100–110 °C）18，将压机预热至70 °C，并保持温度稳定。</li>
		<li>对于COP（制造商提供的玻璃化转变温度为102 °C），将加热板预热至25 °C，并保持温度稳定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>准备用于键合过程的溶剂。
	<ol>
		<li>对于PMMA，每平方英寸键合面积量取0.5 mL乙醇。</li>
		<li>对于COP，配制65:35的2-丙醇与环己烷混合液，每平方英寸键合面积使用0.5 mL该混合液。 
		注意：对于COP，应使用玻璃移液管和容器，因为环己烷会溶解常见的聚丙烯实验器皿。所有混合和键合操作均应在通风橱中进行，因为环己烷具有毒性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在清洁后的塑料层之间，按每平方英寸键合面积加入0.1 mL溶剂，并将各层贴合。目视检查键合界面是否存在气泡（气泡较常见），应尽可能将其去除。 
	注意：溶剂加入后应尽快操作，因为挥发性溶剂会开始蒸发（从而导致溶剂混合物的组成发生变化）。
	<ol>
		<li>若存在气泡，沿键合界面滑动两层塑料，使其几乎分离（但仍保持接触），然后再重新滑动贴合。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用对准销、定制夹具或手动方式对设备各层进行对准（详见讨论部分）。
	<ol>
		<li>若使用对准销，应对准销孔，并将销插入设备堆叠中。</li>
		<li>若使用定制夹具，将设备堆叠插入夹具并夹紧。</li>
		<li>若手动对准，用手指对齐设备的外边缘。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将含有溶剂的设备放入预热的压机（用于PMMA）或置于预热的加热板上（用于COP）。
	<ol>
		<li>对于PMMA，施加2,300 kPa压力，持续2分钟。</li>
		<li>对于COP，施加350 kPa压力。以5 °C/min的速率将温度从25 °C升至70 °C。达到70 °C后（约9分钟后），继续键合15分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用镊子安全取出热的设备进行检查。键合过程现已完成。</li>
	<li>清除设备中残留的任何液体（微通道或其他结构内）。
	<ol>
		<li>对于PMMA，使用压缩空气清除残留液体。对于COP，将键合后的设备置于加热板上，在45 °C下烘烤24小时，以去除残留的环己烷。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physics+and+applications+of+microfluidics+in+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Physics and applications of microfluidics in biology.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 4, 261-286 (2002).</li>
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<li>Truckenmüller, R., Henzi, P., Herrmann, D., Saile, V., Schomburg, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bonding+of+polymer+microstructures+by+UV+irradiation+and+subsequent+welding+at+low+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22Microsystem+Technologies%22%5BJournal%5D)">Bonding of polymer microstructures by UV irradiation and subsequent welding at low temperatures.</a> Microsystem Technologies. 10 (5), 372-374 (2004).</li>
<li>Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+temperature+bonding+of+PMMA+and+COC+microfluidic+substrates+using+UV%2Fozone+surface+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment.</a> Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).</li>
<li>Wan, A. M. D., Sadri, A., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+phase+solvent+bonding+of+plastic+microfluidic+devices+assisted+by+retention+grooves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves.</a> Lab on a Chip. 15 (18), 3785-3792 (2015).</li>
<li>Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micromilling%3A+a+method+for+ultra-rapid+prototyping+of+plastic+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).</li>
<li>Cameron, N. S., Roberge, H., Veres, T., Jakeway, S. C., John Crabtree, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+fidelity%2C+high+yield+production+of+microfluidic+devices+by+hot+embossing+lithography%3A+rheology+and+stiction%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">High fidelity, high yield production of microfluidic devices by hot embossing lithography: rheology and stiction.</a> Lab on a Chip. 6 (7), 936(2006).</li>
<li>Yang, S., Devoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+device+fabrication+by+thermoplastic+hot-embossing%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Molecular+Biology%22%5BJournal%5D)">Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing.</a> Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).</li>
<li>Konstantinou, D., Shirazi, A., Sadri, A., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+hot+embossing+and+milling+for+medium+volume+production+of+thermoplastic+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Combined hot embossing and milling for medium volume production of thermoplastic microfluidic devices.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 234, 209-221 (2016).</li>
<li>Maszara, W. P., Goetz, G., Caviglia, A., McKitterick, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bonding+of+silicon+wafers+for+silicon-on-insulator%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator.</a> Journal of Applied Physics. 64 (10), 4943(1988).</li>
<li>Bhattacharyya, A., Klapperich, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+and+chemical+analysis+of+plasma+and+ultraviolet-ozone+surface+treatments+for+thermal+bonding+of+polymeric+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Mechanical and chemical analysis of plasma and ultraviolet-ozone surface treatments for thermal bonding of polymeric microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 7 (7), 876-882 (2007).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

潜在键合策略的可行性取决于可用的设备。虽然加热板相对常见，且砝码可低价购得，但高压策略需要使用加热压机。例如，我们最优的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）键合方案需要在乙醇中施加高压（见表1），而使用砝码无法对典型尺寸的器件施加足够的压力。因此，若仅有加热板和砝码可用，则可改用另一种溶剂（水中75%丙酮）实现PMMA的键合。此外，若所用溶剂需在通风橱中操作，也可能限制其实用性，特别是当同时需要高压时，此类策略既需使用加热压机，又要求将压机置于通风橱内。这些因素在开发新的溶剂-塑料体系时可作为指导，优先选择毒性较低的溶剂和所需压力较低但仍能实现高质量键合的条件。
在针对特定塑料优化溶剂键合方法后，由于键合过程中溶剂蒸发效应，装置边缘附近仍可能存在键合覆盖不全的问题。如代表性结果部分所述，缓解此类问题的一种策略是在关注的边缘附近平行设置溶剂保留槽即，装置的外边缘，以及通常存在键合困难的通道或端口附近）。此外，可在每个凹槽中添加两个或更多的通孔端口（和/或连接多个凹槽），以便使用移液器直接将溶剂加入凹槽内。该设计具有两个潜在用途：（i）可将溶...

在过去的二十年中，微流控技术作为一种非常适合在微米尺度上研究化学和物理现象的技术而兴起1，并日益展现出显著推动生物学研究的潜力2-4。历史上，大多数微流控器件由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，这是一种使用方便、成本低廉且能高质量复制微结构特征的硅基弹性体5。然而，PDMS存在诸多已有明确记载的缺点，并且与高通量制造工艺不兼容6,7，因此，近年来越来越多的研究趋向于采用热塑性材料制备微流控器件，因其具备大规模生产乃至商业化的潜力。
塑料微加工技术广泛应用的主要障碍之一是难以实现简便且高质量的塑料器件键合。目前的策略包括热键合、粘合剂键合和溶剂键合技术，但许多方法存在显著挑战。热键合会增加自发荧光8，并经常导致微通道结构变形9-11，而粘合剂键合技术则需要使用模板、精确对准，最终还会使粘合剂厚度暴露于微通道内部10。溶剂键合因其操作简单、可调控性强且成本低廉而具有吸引力10,12-14。特别是其可调控性使得该方法能够针对多种塑料进行优化，从而实现稳定且高质量的键合，最大限度减少微结构特征的变形14。
在溶剂键合过程中，溶剂暴露会增加塑料表面附近聚合物链的流动性，从而促进聚合物链在键合界面处的相互扩散。这导致扩散链之间通过机械互锁产生缠结，进而形成物理键合10。热键合的作用机制类似，但仅依靠升高温度来提高链段流动性。因此，热键合方法需要接近或高于聚合物玻璃化转变温度的条件，而使用溶剂可显著降低键合所需的温度，从而减少不必要的形变。
我们提供了一种用于键合PMMA和COP器件的特定方案。然而，该方案和方法描述了一种简单且通用的热塑性微流控器件溶剂键合方法，可根据其他塑料材料、溶剂和可用设备进行调整。我们介绍了多种评估键合质量的方法（例如，键合覆盖率、键合强度、键合耐久性以及微结构几何形变），并提供了针对这些常见问题的故障排除策略。

<table><tbody><tr><td>COP</td><td>Zeonor</td><td>604Z1020R080</td><td>20 kg COP 颗粒 - 1020R。可使用多个供应商，但可能影响粘合特性。</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>McMaster Carr</td><td>8560K173</td><td>适用于常规应用的 1.5 mm 厚板材。可使用多个供应商，但可能影响粘合特性。</td></tr><tr><td>环己烷</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227048</td><td>环己烷，无水，99.5%。可使用多个供应商。有毒，需在通风橱中操作。</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>24102</td><td>乙醇，绝对乙醇，&amp;ge;99.8%（GC）。可使用多个供应商。</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>179124</td><td>丙酮，ACS 试剂，&amp;ge;99.5%。可使用多个供应商。</td></tr><tr><td>2-丙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>278475</td><td>2-丙醇，无水，99.5%。可使用多个供应商。</td></tr><tr><td>加热板</td><td>Torrey Pines Scientific</td><td>HP60</td><td>完全可编程的数字加热板。可使用多个供应商。</td></tr><tr><td>标准砝码</td><td>Cap Barbell</td><td>RPG#2</td><td>标准铸铁圆盘。可使用不同供应商和不同重量。</td></tr><tr><td>加热压机</td><td>Carver</td><td>Auto CH</td><td>Auto 系列加热液压压机。可使用多个供应商。若压机能放入通风橱，则可提供最大灵活性（此型号不能）。</td></tr><tr><td>数控铣床</td><td>Tormach</td><td>PCNC 770</td><td>三轴数控铣床。可使用多个供应商。</td></tr><tr><td>立铣刀</td><td>Various</td><td>Various</td><td>所需尺寸取决于设计。可使用多个供应商。</td></tr></tbody></table>

用于制作pmma和cop微流控器件的溶剂键合技术

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

热塑性塑料微流控器件相较于硅基弹性体材料制成的器件具有诸多优势，但需针对每种感兴趣的热塑性塑料开发相应的键合工艺。溶剂键合是一种简单且通用的方法，可用于多种塑料材料的器件制备。该方法将适当的溶剂添加至待键合的两层器件之间，并对器件施加热量和压力以促进键合过程。通过合理选择溶剂、塑料、加热条件和压力的组合，可实现高质量的密封键合，其特征表现为高键合覆盖率、高键合强度、良好的光学透明性、长期稳定性以及对微结构形貌的低变形或损伤。本文描述了两种常用热塑性塑料——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和环烯烃聚合物（COP）——所制器件的键合操作流程，以及多种用于评估键合质量的方法，并提供了针对低质量键合问题的排查策略。这些方法可用于开发其他塑料-溶剂体系的新型溶剂键合方案。

通用溶剂键合过程的示意图如图1所示。评估键合质量最简单的方法是目视检查键合覆盖情况，因为键合不良的区域会明显表现为未键合的塑料区域，表明键合强度较弱。这些区域通常靠近自由边缘（例如，器件边缘或开放端口、微通道附近），也常出现在键合界面处的灰尘或颗粒物周围。在尚未确定最佳溶剂组成和键合条件的方案开发阶段，通常会出现因键合强度不足而导致的键合覆盖不良，如图2A所示。通常，键合强度不足提示可能需要进行以下一项或多项调整：（i）使用更强的溶剂（即更高浓度的溶液或更换溶剂），（ii）提高键合温度，以及（iii）提高键合压力。
相反，过于剧烈的键合条件虽可实现优异的键合覆盖率和高强度，但也可能导致微结构受损或封闭，如图所示。 图2B这通常是由于溶剂过于剧烈所致，尽管高温（接近塑料的玻璃化转变温度）也可能导致明显的变形。
...

溶剂键合是一种简单且多功能的方法，可用于制备具有高质量键合的热塑性微流控器件。我们描述了一种通过合理结合压力、温度、合适溶剂以及器件几何结构，在PMMA和COP微流控器件中实现牢固、光学透明键合的实验方案，该方法可保持微结构特征的细节完整性。

用于制作PMMA和COP微流控器件的溶剂键合技术

热塑性微流控器件相较于硅基弹性体器件具有诸多优势，但需针对每种材料开发相应的键合工艺。

该技术的总体目标是提供一种简单且多功能的方法，用于制备具有高质量键合的热塑性微流控器件。这种溶剂键合方法将使我们能够为多种应用——从微流控细胞培养系统到即时诊断工具的原型——制备出键合良好且耐用的热塑性微流控器件。该技术的主要优势在于，它能够快速、简便地键合热塑性器件的各层。该方法可轻松适用于键合不同的热塑性材料。使用合适的方法设计并制备所选热塑性材料的微流控器件层。目视检查器件层，确保边缘干净，无加工过程中残留的毛刺或突起。为获得最佳效果，除装置的外边缘外，还应在光学显微镜下检查所有加工出的微结构边缘。若在目视检查中发现残留材料，应使用剃刀刀片或手术刀小心去除任何阻碍装置各层平整贴合的物质，以确保各层界面能够完全贴合。随后，用实验室洗涤剂和水清洁装置表面。然后用压缩空气吹干。将器件层浸入异丙醇中两分钟，之后用压缩空气吹干。本视频演示中使用的是聚甲基丙烯酸甲酯，简称PMMA。当使用环烯烃聚合物（COP）时，请参见文字方案中对实验步骤的微小调整。将热压机预热至70摄氏度，并保持温度稳定。为准备用于键合过程的溶剂，按每平方英寸聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）键合面积加入0.5毫升乙醇进行量取。向装置各层施加适当体积的溶剂非常重要，因为溶剂过多可能导致各层对齐困难。在清洁后的塑料层之间的每平方英寸粘合区域中加入0.1毫升溶剂，然后将各层贴合在一起。目视检查粘合界面是否存在气泡，气泡较为常见，应尽可能将其去除。如果存在气泡，可沿着粘合界面轻轻滑动两层塑料，使其几乎分开，然后重新将它们滑动贴合。若需手动对齐装置的各层，请用手指对齐装置的外边缘。如果需要更精确的对齐，请使用 L 形角支架将装置各层固定在一起。接着，将装有溶剂的装置放入预热的压机中，施加 2,300 kPa 的压力并持续 2 分钟。使用镊子小心取出加热后的装置进行检查。粘合现已完成。最后，使用压缩空气清除装置中残留的任何液体。图中显示的是一对装置层在清洗前和清洗后的典型结果。已对器件各层进行铣削以去除毛刺。添加溶剂后的器件代表性图像显示，键合表面存在气泡，可能抑制键合效果。相反，若溶剂分布均匀且无气泡，则可形成牢固、高质量的键合。加热过程中溶剂快速蒸发，可能导致器件自由边缘附近出现未粘合的区域，从而造成粘合覆盖不全、微流控结构泄漏以及整体粘合强度降低。这些区域表现为带有彩色干涉条纹的较亮斑块。优化的溶剂塑化系统可实现良好的粘合覆盖和强度，同时最大限度减少对微结构的损伤，并确保其有效密封。一旦掌握，只要正确完成封接操作，新的热塑性材料微流控器件可在短短两小时内完成制备。请注意，环己烷具有潜在危险性，操作时必须在通风橱中进行，并佩戴个人防护装备。观看本视频后，您将掌握一种简单且通用的方法，用于制备高质量、无泄漏的热塑性微流控器件，适用于细胞培养及即时诊断应用。

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工程

溶剂粘接的PMMA的制备和COP微流体装置

在本视频中，我们演示如何在不使用等离子体键合的情况下使用神经元微流控装置。...

非等离子体键合PDMS用于低成本微流控器件的制备

我们提出一种制备完全由同一种基础材料——聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）构成的Janus微凝胶的方案，其结构具有明显的区室化特征，基于过饱和NIPAAm单体溶液的相分离形成。所合成的Janus微凝胶表现出独特的性质，如各向异性的热响应性以及亲油/亲水性负载能力。...

合成具有各向异性热响应性及亲油/亲水负载能力的聚(N-异丙基丙烯酰胺) Janus 微凝胶

微流控双乳液的生成通常涉及具有图案化润湿性的装置或定制制造的玻璃部件。本文介绍了一种全聚二甲基硅氧烷（PDMS）双乳液发生器的制备与测试方法，该发生器无需表面处理或复杂的制造工艺，能够生成低至14...

使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）同轴流动聚焦装置生成双重乳液

我们提出一种简单的二氧化硅胶体纳米粒子自组装技术，用于在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的两个微通道之间构建纳米流体结。利用该技术，可在微通道内构建孔径低至约45...

通过胶体颗粒自组装工艺在PDMS微流控芯片中制备亚50 nm纳米流体结

我们介绍一种基于微流控技术的共价有机框架（COFs）合成新方法。我们展示了如何利用该方法制备连续的COF纤维，以及在表面上形成二维或三维COF结构。...

基于微流控技术的共价有机框架材料（COFs）合成：一种用于连续制备COF纤维及在表面直接打印的工具

本实验的目的是简便、快速地制备一种具有可定制几何结构且耐有机流体溶胀的微流控装置，用于石油采收研究。首先制备聚二甲基硅氧烷模具，然后利用该模具浇铸环氧树脂基装置。文中报道了一项典型的驱替实验研究。...

用于表征多孔介质中孔隙尺度事件过程以应用于石油开采的微流控装置

本方案描述了使用MY133-V2000制备微流控装置的方法，以消除由于微通道结构与水溶液之间折射率不匹配而常在微通道中产生的伪影。本方案采用丙烯酸支架压缩封装后的装置，从而在化学和机械层面增强粘附性。...

用于生物医学微流控的折射率匹配器件的制备

本文介绍了一种以最少的资金和时间投入设计和制备定制化微流控装置的实验方案。其目的是促进微流控技术在生物医学研究实验室及教育环境中的应用。...

用于科研与教学应用的定制微流控器件的快速制备

微流控技术是开发诊断检测方法的有力工具。然而，该技术通常需要昂贵的设备和材料，以及繁琐的制备和操作步骤。本文详细描述了一种丙烯酸微流控装置的制备方案，可用于低成本且易于使用的磁性微纳米粒子免疫分析。...

用于磁性纳米颗粒免疫分析的阶梯式微流控丙烯酸装置的计算机数控微铣削

本方案描述了一组用于合成微孔退火颗粒支架微凝胶构建单元的方法，该支架可用于多种再生医学应用。...

用于微孔退火颗粒支架的微凝胶构筑单元的微流控合成

本方案描述了三种简便的密封方法，用于制备集成聚碳酸酯和硅材料组件的混合微流控器件。通过采用溶剂键合、热压和机械压缩策略，我们实现了可靠且无需特殊设备的低温密封技术，适用于混合微流控器件的...

杂化聚碳酸酯-硅微流控器件的构建方法

学习溶剂粘接技术制备PMMA和COP热塑性微流控装置的方法。该技术可实现高质量键合，适用于细胞培养系统和即时诊断工具的原型开发，为生物医学工程研究提供简单可靠的制备方案。

用于制作PMMA和COP微流控器件的溶剂键合技术

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