Lösungsmittelbindung ist ein einfaches und vielseitiges Verfahren für thermoplastische Mikrofluidik-Vorrichtungen mit hoher Qualität Bindungen hergestellt wird. Wir beschreiben ein Protokoll zu erreichen, stark, optisch klare Bindungen in PMMA und COP mikrofluidischen Vorrichtungen, die Mikrostrukturdetails, durch eine sinnvolle Kombination von Druck, Temperatur, einem geeigneten Lösungsmittel und Bauteilgeometrie zu erhalten.
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Methodenartikel
Lösungsmittelbindung für die Herstellung von PMMA und COP Mikrofluidiksysteme
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Thermoplastisches mikrofluidischen Geräte bieten viele Vorteile gegenüber denen aus Silikon-Elastomeren, aber Bondverfahren müssen für jedes Thermoplast Interesse entwickelt werden. Lösungsmittelbonden ist ein einfaches und vielseitiges Verfahren, die verwendet werden können Geräte aus einer Vielzahl von Kunststoffen herzustellen. Ein geeignetes Lösungsmittel befindet sich zwischen zwei Vorrichtungsschichten zugesetzt werden, gebunden ist, und Wärme und Druck werden auf die Vorrichtung aufgebracht, um die Bindung zu erleichtern. Durch die Verwendung einer geeigneten Kombination von Lösungsmittel, Kunststoff, Hitze und Druck kann das Gerät mit einem hochwertigen Bindung abgedichtet werden, gekennzeichnet als hohe Bindung Abdeckung mit, Haftfestigkeit, optische Klarheit, Haltbarkeit im Laufe der Zeit und eine geringe Verformung oder Beschädigung von Mikrostruktur Geometrie. Wir beschreiben das Verfahren zum Verkleben von Vorrichtungen aus zwei populäre Thermoplasten, Poly (methyl-methacrylat) (PMMA) und Cycloolefin-Polymer (COP) sowie eine Vielzahl von Methoden, um die Qualität der resultierenden Bindungen zu charakterisieren und Strategien Troubleshoot niedrige Qualität Anleihen. Diese Verfahren können verwendet werden, um neue Lösungsmittelbindungsprotokolle für andere Kunststoff-Lösungsmittelsysteme zu entwickeln.
Einleitung
Mikrofluidik hat sich in den letzten zwanzig Jahren als Technologie gut geeignet für das Studium der Chemie und Physik an der mikroskaligen 1, und mit wachsendem Versprechen entstanden deutlich zu Forschung Biologie beitragen 2-4. Die Mehrheit der Mikrofluidik - Vorrichtungen aus Poly (dimethylsiloxan) (PDMS), ein Silikon - Elastomer , das einfach zu bedienen, preiswert ist, historisch und bietet hohe Qualitätsmerkmal Replikation 5. Allerdings hat PDMS gut dokumentierte Nachteile und ist nicht mit hochvolumigen Herstellungs 6,7 verarbeitet und als solches besteht ein wachsender Trend zur Herstellung von mikrofluidischen Vorrichtungen aus thermoplastische Materialien, die aufgrund ihrer potentiellen Massenherstellung und damit Vermarktung gewesen.
Eines der wichtigsten Hindernisse für den verstärkten Einsatz von Kunststoff-Mikro wurde das Erreichen einfache, qualitativ hochwertige Verklebung von Kunststoff-Geräte. Aktuelle Strategien beschäftigen thermal, Klebstoff und Lösungsmittel Bindungstechniken, aber viele leiden an großen Herausforderungen. Die thermische Bindung erhöht Autofluoreszenz 8 und oft verformt Mikrokanalgeometrien 9 bis 11, während Klebetechniken erfordern Schablonen, eine sorgfältige Ausrichtung und schließlich die Dicke der auf dem Mikrokanal 10 freiliegenden Klebstoff lassen. Lösungsmittelbonden ist attraktiv wegen ihrer Einfachheit, Abstimmbarkeit und niedrige Kosten 10,12 - 14. Insbesondere ermöglicht seine Einstellbarkeit Optimierung für eine Vielzahl von Kunststoffen, die gleichbleibend hohe Qualität Bindung ergeben können , die 14 Verformung von Mikrostrukturen minimiert.
Während der Lösungsmittelbonden, erhöht die Lösungsmittelexposition, die Mobilität der Polymerketten in der Nähe der Oberfläche des Kunststoff, die Interdiffusion der Ketten über die Verbindungsgrenzfläche ermöglicht. Dies verursacht Verschlingung über mechanische Verriegelung der diffundierenden Ketten und führt in aphysical Bindung 10. Wärmebindungs arbeitet in ähnlicher Weise, sondern stützt sich auf erhöhter Temperatur allein Kettenbeweglichkeit zu erhöhen. Somit thermische Verfahren erfordern Temperaturen nahe oder oberhalb der Glasübergang des Polymers, während die Verwendung von Lösemitteln signifikant die Temperatur zum Bonden benötigt reduzieren kann und somit unerwünschte Deformierung reduzieren.
Wir stellen ein spezifisches Protokoll für beide PMMA und COP-Geräte verbunden wird. Jedoch beschreibt dieses Protokoll und Verfahren eine einfache, generischen Ansatz zur Lösungsmittel Verkleben von thermoplastischen Mikrofluidik-Vorrichtungen, die für andere Kunststoffmaterialien, Lösungsmitteln und erhältlicher Ausrüstung zugeschnitten werden können. Wir beschreiben eine Vielzahl von Methoden zur Bewertung der Qualität von Anleihen der Bewertung (zB Briefdeckung, Klebkraft, Bindung Haltbarkeit und Deformation von Mikrostrukturgeometrien) und Fehlerbehebung Ansätze bieten diese gemeinsamen Herausforderungen zu begegnen.
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Protokoll
Man beachte, dass alle unten wurden in einem nicht-Reinraumumgebung beschriebenen Schritte entwickelt und durchgeführt. Die Lösungsmittelbindungsschritte können sicherlich in einem Reinraum durchgeführt werden, wenn verfügbar, aber dies ist nicht erforderlich.
1. Herstellung von Thermoplastischer Mikrofluidikvorrichtung Schichten
- Design und Herstellung Mikrofluidikvorrichtung Schichten aus dem thermoplastischen der Wahl eines geeigneten Herstellungsverfahren unter Verwendung von (beispielsweise 15 Mikrofräsen, Prägung 16 bis 18, Spritzgießen).
- Sichtprüfung Bauteilschichten um sicherzustellen , dass Kanten "saubere" (dh keine Grate oder Rippen von übrig gebliebenen Material aus dem Herstellungsprozess) ist. Die besten Ergebnisse erzielen, überprüfen Sie alle bearbeiteten Mikromerkmalskanten zusätzlich zu den Außenkanten der Vorrichtung unter einem optischen Mikroskop.
- Wenn die Restmaterial bei der visuellen Inspektion gefunden wird, verwenden Sie eine Rasierklinge oder einem Skalpell vorsichtig jede Matte entfernenerial, die die Geräte Schichten von flach liegenden gegeneinander, so dass die Grenzflächen der Schichten kommen in einen konformen Kontakt verhindert.
- Saubere Geräteoberflächen mit Labor Seife und Wasser und mit Druckluft trocknen. Versenken Vorrichtungsschichten in 2-Propanol für 2 min und mit Druckluft trocknen.
2. Lösungsmittelbindung
- Bereiten beheizten Presse (für PMMA) oder Heizplatte (für COP).
- Für PMMA (gegossenes Acrylglas, Glasübergangstemperatur von ~ 100-110 ° C) 18 vorwärmen Presse auf 70 ° C und ermöglichen Temperatur zu stabilisieren.
- Für COP (Glasübergangstemperatur von 102 ° C, vom Hersteller) vorheizen Heizplatte auf 25 ° C und ermöglichen Temperatur zu stabilisieren.
- Bereiten Lösungsmittel für Bonding - Prozess.
- Für PMMA, messen 0,5 ml Ethanol pro Quadratzoll Klebefläche.
- Für COP, bereiten ein 65:35 Gemisch aus 2-Propanol und Cyclohexan, Witzha Gesamtvolumen von 0,5 ml der Mischung pro Quadratinch der Bindungsfläche.
HINWEIS: Bei COP verwenden Glaspipetten und Behälter, wie Cyclohexan gemeinsame Polypropylen labware auflösen. Führen Sie alle Misch- und Bindung in einem Abzug, wie Cyclohexan giftig ist.
- Dispense 0,1 ml Lösungsmittel pro Quadratzoll Bindungsfläche zwischen gereinigten Kunststoff - Schichten und bringen die Schichten zusammen. Sichtprüfung auf Luftblasen an der Verbindungsschnittstelle, die gemeinsam sind, und sollten so weit wie möglich entfernt werden.
HINWEIS: Es ist von Vorteil, schnell zu arbeiten, sobald das Lösungsmittel verzichtet wurde, als flüchtige Lösungsmittel beginnt zu verdampfen (und damit auch Lösungsmittelgemische werden in der Zusammensetzung ändern).- Wenn Blasen vorhanden sind, schieben Sie die zwei Kunststoffschichten entlang der Verbindungsgrenzfläche, so dass sie fast auseinander kommen (aber in Kontakt bleiben), und sie dann zusammen nach hinten schieben.
- Ausrichten der Schichten der Vorrichtung mit Ausrichtungsstiften,eine benutzerdefinierte jig, oder einfach von Hand (siehe Diskussion Abschnitt für weitere Details).
- Wenn Passstifte verwenden, richten Sie die Löcher für die Stifte, und setzen Sie die Stifte in die Gerätestapel.
- Wenn Sie eine benutzerdefinierte jig verwenden, legen Sie das Gerät Stapel in die Spannvorrichtung und ziehen Sie um das Gerät herum.
- Wenn Ausrichten von Hand, verwenden die Finger die äußeren Kanten der Vorrichtung auszurichten.
- Stellen Sie das Gerät mit Lösungsmittel in den vorgeheizten Presse (zum PMMA) oder auf den vorgeheizten Heizplatte (für COP).
- Für PMMA, gelten 2.300 kPa Druck für 2 min.
- Für COP gelten 350 kPa Druck. Erhöhen Sie die Temperatur von 25 ° C bis 70 ° C mit einer Rate von 5 ° C / min. Nach 70 ° C erreicht (nach 9 min), Bindung für weitere 15 min.
- Verwenden einer Pinzette, um sicher das heiße Gerät zur Überprüfung entfernen. Kleben ist nun abgeschlossen.
- Entfernen Sie alle verbleibenden Flüssigkeit in das Gerät (in Mikrokanälen oder anderen featurn).
- Für PMMA, entfernen Sie mit Druckluft, um Restflüssigkeiten. Für COP, klebt Gerät auf Heizplatte und backen bei 45 ° C für 24 Stunden alle verbleibenden Cyclohexan zu entfernen.
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Ergebnisse
Eine schematische Darstellung des allgemeinen Lösungsmittelklebeverfahren ist in Abbildung 1 dargestellt. Der einfachste Weg, Bindungsqualität zu beurteilen, ist die visuelle Bindung Abdeckung inspizieren, da schlechte Bindung Abdeckung gut sichtbar als Regionen von unverbundenen Kunststoff ist, und ist ein Hinweis auf eine schwache Bindung. Solche Bereiche sind in der Regel in der Nähe von freien Kanten (zB Peripherie - Gerät oder in der Nähe von offenen Ports ...
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Diskussion
Die Machbarkeit von möglichen Bindungsstrategien abhängig von verfügbaren Geräten. Während Platten relativ häufig und Gewichten sind kostengünstig, Hochdruck-Strategien erworben werden, um die Verwendung einer beheizten Presse erfordern. Zum Beispiel erfordert unser optimales PMMA Verklebung Rezept Hochdruck mit Ethanol zu verbinden (siehe Tabelle 1) und der erforderliche Druck ist nicht erreichbar für typische Gerätegrößen mit freien Gewichten. Wenn also nur einer Heizplatte und Gewichte vorhanden sind...
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Offenlegungen
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.
Danksagungen
Wir danken für die finanzielle Unterstützung aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften Research Council of Canada (NSERC, # 436117-2013), der Cancer Research Society (CRS, # 20172), Myeloma Kanada und Grand Challenges Canada.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden, dies kann jedoch die Haftungseigenschaften beeinträchtigen. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1,5 mm Blechstärke für unsere typischen Anwendungen. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden, dies kann jedoch die Verbindungseigenschaften beeinträchtigen. |
| Cyclohexan | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexan, wasserfrei, 99,5 %. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. Giftig, erfordert Rauch. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absolut, ≥ 99,8 % (GC). Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
| Aceton | Sigma-Aldrich | 179124 | Aceton, ACS-Reagenz ≥ 99.5%. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, wasserfrei, 99,5%. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
| Heizplatte(n) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Voll programmierbare digitale Heizplatte. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
| Freie Gewichte | Kappe Langhantel | RPG #2 | Standard Gusseisenplatte. Es können mehrere Lieferanten und unterschiedliche Gewichte verwendet werden. |
| Beheizte Presse | Carver | Auto CH | Beheizte hydraulische Presse der Auto-Serie. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. Eine Presse, die in einen Abzug passt, würde die größte Flexibilität ermöglichen (dieses Modell ist dies nicht der Fall). |
| CNC-Fräsmaschine | Tormach | PCNC 770 | 3-Achsen-CNC-Fräse. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
| Schaftfräser | Verschiedenes Verschiedenes | erforderlichen Größen hängen von der Ausführung ab. Es können mehrere Lieferanten verwendet werden. |
Referenzen
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4, 261-286 (2002).
- Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
- Paguirigan, A. L., Beebe, D. J. Microfluidics meet cell biology: Bridging the gap by validation and application of microscale techniques for cell biological assays. BioEssays. 30 (9), 811-821 (2008).
- Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224-1237 (2012).
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Young, E. W. K., Berthier, E., Beebe, D. J. Assessment of enhanced autofluorescence and impact on cell microscopy for microfabricated thermoplastic devices. Analytical Chemistry. 85 (1), 44-49 (2013).
- Wallow, T. I., Morales, A. M., et al. Low-distortion, high-strength bonding of thermoplastic microfluidic devices employing case-II diffusion-mediated permeant activation. Lab on a Chip. 7 (12), 1825-1831 (2007).
- Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
- Young, E. W. K., Berthier, E., et al. Rapid prototyping of arrayed microfluidic systems in polystyrene for cell-based assays. Analytical Chemistry. 83 (4), 1408-1417 (2011).
- Truckenmüller, R., Henzi, P., Herrmann, D., Saile, V., Schomburg, W. K. Bonding of polymer microstructures by UV irradiation and subsequent welding at low temperatures. Microsystem Technologies. 10 (5), 372-374 (2004).
- Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment. Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).
- Wan, A. M. D., Sadri, A., Young, E. W. K. Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves. Lab on a Chip. 15 (18), 3785-3792 (2015).
- Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices. Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).
- Cameron, N. S., Roberge, H., Veres, T., Jakeway, S. C., John Crabtree, H. High fidelity, high yield production of microfluidic devices by hot embossing lithography: rheology and stiction. Lab on a Chip. 6 (7), 936(2006).
- Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
- Konstantinou, D., Shirazi, A., Sadri, A., Young, E. W. K. Combined hot embossing and milling for medium volume production of thermoplastic microfluidic devices. Sensors and Actuators B: Chemical. 234, 209-221 (2016).
- Maszara, W. P., Goetz, G., Caviglia, A., McKitterick, J. B. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator. Journal of Applied Physics. 64 (10), 4943(1988).
- Bhattacharyya, A., Klapperich, C. M. Mechanical and chemical analysis of plasma and ultraviolet-ozone surface treatments for thermal bonding of polymeric microfluidic devices. Lab on a Chip. 7 (7), 876-882 (2007).
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