Solvent Bonding for fabrikasjon av PMMA og COP microfluidic enheter

Summary

Løsningsmidlet binding er en enkel og allsidig fremgangsmåte for fremstilling av termoplastiske microfluidic enheter med høy kvalitet bindinger. Vi beskriver en protokoll for å oppnå sterke, optisk klare bindinger i PMMA og COP microfluidic enheter som bevarer microfeature detaljer, av en skjønnsom kombinasjon av trykk, temperatur, et passende løsningsmiddel, og anordning geometri.

Abstract

Termoplast microfluidic enheter tilbyr mange fordeler i forhold til de som er laget av silikon elastomerer, men bonding prosedyrer må utvikles for hver termo av interesse. Løsningsmidlet binding er en enkel og allsidig fremgangsmåte som kan brukes til å fremstille enheter fra en rekke plast. Et passende løsningsmiddel tilsettes mellom to innretnings lag som skal limes, og varme og trykk tilføres til enheten for å lette bindingen. Ved å bruke en passende kombinasjon av løsemidler, plast, varme og trykk, kan enheten være forseglet med en høy kvalitet binding, karakterisert som å ha høy bindingen dekning, bindestyrke, optisk klarhet, holdbarhet over tid, og lav deformasjon eller skade på microfeature geometri. Vi beskriver fremgangsmåten til liming av anordninger fremstilt av to populære termoplast, poly (metyl-metakrylat) (PMMA), og cyclo-olefin polymer (COP), så vel som en rekke metoder for å karakterisere kvaliteten av de resulterende bindinger, og strategier Troubleshoot lav kvalitet obligasjoner. Disse metodene kan brukes til å utvikle nye løsemiddelbinde protokoller for andre plast-løsningsmiddel-systemer.

Introduction

MicroFluidics har dukket opp i løpet av de siste tjue årene som teknisk godt egnet for å studere kjemi og fysikk på mikro ^1, og med økende løfte om å bidra vesentlig til biologi forskning ^2-4. De fleste av microfluidic enheter har historisk vært fremstilt av poly (dimetylsiloksan) (PDMS), en silikon-elastomer som er enkel å bruke, billig, og har høy kvalitet trekk replikering ^5. Men PDMS har veldokumentert mangler og er uforenlig med høyt volum fabrikasjon prosesser ^6,7, og som sådan, har det vært en økende trend mot fabrikere microfluidic enheter fra termoplastmaterialer, på grunn av sitt potensial for masseproduksjon og dermed kommersialisering.

En av de store hindringene for bredere adopsjon av plast microfabrication har vært å oppnå enkel, høy kvalitet liming av plast enheter. Aktuelle strategier ansette thermal, lim og løsemidler bonding teknikker, men mange lider av betydelige utfordringer. Termisk binding øker autofluorescens ⁸ og ofte deformeres microchannel geometrier ^{9 - 11,} mens limet teknikker krever stensiler, forsiktig justering, og til slutt forlater tykkelsen av klebemidlet utsettes for microchannel ^10. Løsningsmidlet binding er attraktivt på grunn av sin enkelhet, tunability, og lav pris ^{10,12 - 14.} Spesielt muliggjør dens tunability optimalisering for en rekke av plast, som kan gi konsekvent høy kvalitet binding som minimaliserer deformasjon av microfeatures ^14.

I løpet av oppløsningsmiddel binding, øker oppløsningsmiddel eksponering mobiliteten av polymerkjedene i nærheten av overflaten av plast, som gjør det mulig for inter-diffusjon av kjedene på tvers av binding grensesnittet. Dette fører til forviklinger via mekanisk forrigling av Diffuseranordningen kjeder, og resulterer i aphysical bond ^10. Termisk binding fungerer på en lignende måte, men er avhengig av forhøyet temperatur alene for å øke kjedemobilitet. Således termiske metoder krever temperaturer nær eller over glassomvandlingstemperaturen til polymeren, mens anvendelse av løsningsmidler kan i betydelig grad redusere den temperatur som er nødvendig for binding, og derved redusere uønsket deformasjon.

Vi tilbyr en spesifikk protokoll for liming både PMMA og COP-enheter. Men beskriver denne protokollen og metoden en enkel, generell tilnærming for løsemiddel liming av termo microfluidic enheter som kan skreddersys for andre plastmaterialer, løsemidler, og tilgjengelig utstyr. Vi beskriver en rekke metoder for å vurdere kvaliteten av obligasjoner (for eksempel bond dekning, bindestyrke, bond holdbarhet, og deformasjon av microfeature geometrier), og gi feilsøkings tilnærminger for å løse disse felles utfordringer.

Protocol

Merk at alle trinnene som er beskrevet nedenfor har blitt utviklet og gjennomført i et ikke-renromsmiljø. De løsningsmiddel-bindetrinn kan sikkert bli utført i et renrom, hvis tilgjengelig, men dette er ikke nødvendig.

1. Utarbeidelse av Termo microfluidic Enhets Layers

1. Design og dikte microfluidic enhets lag fra termo av valget, med en passende fremstillingsmetode (f.eks micromilling ^15, preging ^16-18, sprøytestøping).
2. Inspiser visuelt enhets lag for å sikre at kantene er "ren" (dvs. ingen grader eller rygger av leftover materialet fra fabrikasjonsprosessen). For best resultat, sjekk alle maskinmikro har kanter i tillegg til ytterkantene av enheten under en optisk mikroskop.
3. Hvis leftover materialet er funnet under visuell inspeksjon, bruke et barberblad eller skalpell for å fjerne matte nøyeerial som hindrer enhets lagene fra å ligge flatt mot hverandre, slik at grenseflatene i lagene kommer i konformal kontakt.
4. Rengjør enheten flater med laboratorie såpe og vann og tørk med trykkluft. Senk enhets lag i 2-propanol i 2 min og tørr med trykkluft.

2. Solvent Bonding

1. Forbered oppvarmet trykk (for PMMA) eller kokeplate (for COP).
   1. For PMMA (støpt akryl, glassovergangstemperatur på ~ 100-110 ° C) ¹⁸ forvarme trykk for å 70 ° C, og tillate temperaturen å stabilisere seg.
   2. For COP (glassovergangstemperatur på 102 ° C, fra produsent), forvarme varmeplate til 25 ° C, og tillate temperaturen å stabilisere seg.
2. Forbered løsemiddel for bonding prosessen.
   1. For PMMA, måle 0,5 ml etanol per kvadrattomme av bonding område.
   2. For COP, utarbeide en 65:35 blanding av 2-propanol og sykloheksan, viddhektar totalt volum på 0,5 ml av blandingen pr kvadrattomme av limflaten.
      MERK: For COP, bruke glass pipetter og containere, som sykloheksan vil oppløse vanlig polypropylen laboratorie. Utføre alle miksing og bonding i en avtrekkshette, som sykloheksan er giftig.
3. Tilsett 0,1 ml væske per kvadrattomme av bonding område mellom rengjøres plastlag og bringe lagene sammen. Visuelt for luftbobler på bonding-grensesnittet, som er vanlig, og bør fjernes så mye som mulig.
   NB: Det er fordelaktig å arbeide raskt når løsningsmidlet er blitt utlevert, som flyktige oppløsningsmidler vil begynne å fordampe (og følgelig vil løsemiddelblandinger endring i sammensetning).
   1. Hvis luftbobler, skyv de to plastlagene langs bonding grensesnitt, slik at de nesten komme fra hverandre (men forbli i kontakt), og skyv dem sammen igjen.
4. Juster lag av enheten med justeringspinneneen tilpasset pilk, eller bare for hånd (se Discussion avsnitt for ytterligere detaljer).
   1. Hvis du bruker justeringspinnene, justere hullene for pinnene, og setter du pinnene inn i enheten stabelen.
   2. Hvis du bruker en egendefinert pilk, setter enheten stabelen i jiggen og stram rundt enheten.
   3. Ved å innrette for hånd ved å bruke fingrene for å innrette de ytre kantene av enheten.
5. Plasser enheten med oppløsningsmiddel i den på forhånd oppvarmede presse (for PMMA) eller på den forhåndsoppvarmet kokeplate (for COP).
   1. For PMMA, påfør 2300 kPa press i 2 min.
   2. For COP, gjelder 350 kPa trykk. Øke temperaturen fra 25 ° C til 70 ° C med en hastighet på 5 ° C / min. Etter å ha nådd 70 ° C (etter 9 min), binding for ytterligere 15 min.
6. Bruk pinsett for å fjerne den varme enhet for inspeksjon. Bonding er nå fullført.
7. Fjern eventuelle gjenværende væske i enheten (i mikro eller annen features).
   1. For PMMA, fjerne eventuelle gjenværende væske med trykkluft. For COP, plasserer limt enhet på kokeplate og stek ved 45 ° C i 24 timer for å fjerne eventuelle gjenværende sykloheksan.

Representative Results

En skjematisk av den generelle oppløsningsmidlet bindings prosedyre er vist i figur 1. Den enkleste måten å vurdere obligasjons kvalitet er å visuelt inspisere bindingen dekning, ettersom dårlig bindingen dekning er lett synlig som regioner av ubundet plast, og er et tegn på svak binding. Slike områder er vanligvis nær frie kanter (f.eks periferien av enheten, eller i nærheten av åpne porter eller mikro), og kan også ofte vises rundt eventuelle partikler av skitt eller støv på bonding-grensesnittet. Dårlig binding dekning på grunn av svak binding blir vanligvis sett under protokollen utviklingsstadiet, før de optimale oppløsningsmiddelsammensetning og binde betingelser har blitt funnet, og eksempler er vist i Figur 2A. Vanligvis antyder svak binding behov for en eller flere av: (i) en mer aggressiv oppløsningsmiddel (dvs. en høyere konsentrasjon løsning, eller et annet oppløsningsmiddel), (ii) en høyere bindings temperatur, og (iii) en høyere bindings prEssure.

Omvendt kan altfor aggressive bindings forhold fører til utmerket binding dekning med bindeevne, men også skades eller forseglet microfeatures, som vist i figur 2B. Dette er som oftest på grunn av oppløsningsmiddel er for aggressiv, selv om høy temperatur (nærmer seg glassovergangstemperaturen for plasten) kan også forårsake betydelig deformasjon.

En høy kvalitet, har godt limt anordning både god binding dekning og minimal deformasjon av microfeatures, som vist i figur 2C. Avhengig av løsningsmidlet og temperaturen på valg, kan det være vanskelig å oppnå god binding dekning i nærheten frie kanter av anordningen hvis oppløsningsmidlet er meget flyktig og således fordamper raskt. I slike situasjoner tilføre små mikroriller til utformingen av enheten, langs kantene av interesse, kan bidra til å redusere fordampning av løsningsmiddel og dermedå forbedre binding dekning, som vist i Figur 2D. Vi bruker vanligvis spor med tverrsnittsdimensjoner på 500 x 500 mikrometer, som er lagt inn 300 um fra kanten. ¹⁴

I tillegg til generell visuell inspeksjon av bindingen dekning, bør både destruktive og ikke-destruktive undersøkelser brukes til å undersøke bindingen kvalitet og microfeature skade. To destruktive tester som er anvendbare i løpet av protokollen utviklingsstadiet er (i) kryss seksjonering og (ii) kile hverandre limte enheter, for å vurdere microfeature geometri og bindestyrke, henholdsvis. Vi foretrekker å bruke micromilling § våre enheter, som vi finner dette gir en god kombinasjon av komfort, nøyaktighet og relativt rene flater. I fravær av en fresemaskin andre metoder kan benyttes, selv om de vil gi ulike utfordringer. Eksempler er å kutte med en diamant sag eller båndsag (later ujevne overflater), nøye snappingen enhet langs skåret linjer (kan være vanskelig på grunn av tykkelsen, og skjærbelastning kan føre til at anordningen til delaminering), eller bare sliping bort en del av enheten (tidkrevende). Grove overflater fra skjæring kan glattes med sliping.

Uansett hvilken metode som brukes, bør enhetene være seksjonert vinkelrett microfeatures av interesse, og kan kontrolleres visuelt ved hjelp av et optisk mikroskop. Størrelsen og formen på microfeature tverrsnittene vil indikere hvor mye deformasjon har funnet sted på grunn av binding. Mindre aggressive løsningsmidler, og lavere temperaturer og trykk, vil bedre bevare skarpe hjørner og rette vegger, mens mer aggressive betingelser vil føre til avrundede hjørner og vegger, så vel som en reduksjon i tverrsnittsareal på grunn av polymer hevelse. Bilder fra typiske resultater er vist i figur 3.

Bindestyrke kan måles ved partiellly kile fra hverandre de sammenføyde lagene med et mellomlegg og måle avstanden fra kanten til avstandsstykket til kanten av delaminering regionen. Bindingsstyrken kan beregnes fra denne avstanden, tykkelsen av lagene og avstandsstykket, og elastisitetsmodulen av plast. ^14,19 Hvis den spesifikke bindingen styrke verdien er ikke viktig, kile lagene gir hverandre en kvalitativ metode for å vurdere om bindingen er sterk nok for de typiske styrker og håndterer enheten vil møte i løpet av eksperimenter.

Destruktiv testing er nyttige for å kontrollere kvaliteten på en enhet og samtidig la det brukbart til sitt formål. En enkel og nyttig metode er å inspisere via mikroskopi, med hovedfokus på bindingen dekning nær microfeature kanter, eller på små bindings områder. Ubundne områder synes litt mørkere enn limte områder på grunn av den tynne luftspalte mellom plastlagene, og som vist i figur 4 </ Strong>, bør være merkbar etter nøye inspeksjon med et mikroskop. Finne områder av ubundne plast kan hjelpe lede en andre iterasjon av lokalisert bonding å forsegle kritiske deler av enheten før bruk.

En nyttig teknikk for å oppnå sterke bånd med en aggressiv løsemiddel, men samtidig minimere skade på mikro, er å legge spor med tilgangsporter til enheten design, og bare legge løsemiddel til sporene (i stedet for flom bonding overflaten med løsemiddel). Dette reduserer kontakten mellom den microchannel og det flytende løsningsmiddelet (damp fremdeles kommer inn i microchannel), og dermed reduserer deformasjonen som vist i figur 5.

Avhengig av den tilsiktede enheten anvendelse kan lengre holdbarhet testing være nødvendig. For eksempel er mange av våre enheter som brukes for biologiske eksperimenter, og kan ligge i en celle inkubator omgivjøet (37 ° C, 100% fuktighet) i opptil flere uker. Holdbarhet kan vurderes ved å plassere test enheter i de nødvendige betingelsene for den nødvendige varighet, og inspisert etterpå for en visuell reduksjon i bindingen dekning (delaminering av enheten), eller svekket bindestyrke som gjør at enheten kan bli lett kilt hverandre. Eksempler er vist i figur 6, og angi behov for å modifisere bindingsprosedyren for å oppnå høyere bindingsstyrke.

Figur 1: Skjematisk av bonding prosessen. Den generelle Løsningsmidlet bindingsprosessen er vist. Flytende oppløsningsmiddel tilsettes mellom de to termoplastiske enhets lag som skal limes. Lagene bringes sammen og bobler blir fjernet fra væsken ved liming grensesnittet. Trykk og varme blir tilført til enheten for den nødvendige varighet, og den sammenbundne enheten er fullført. enhver reværende væske kan fjernes fra åpne porter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: Visuelle Eksempler på Varierende Bond kvalitet. (A) En felles utfordring med mange flytende løsemiddelbinde tilnærminger er at rask fordamping skjer nær frie kantene på enheten under den oppvarmede bonding trinnet på grunn av løsemiddel volatilitet. Dette fører ofte til områder av ubundet materiale i nærheten av disse kanter, noe som resulterer i dårlig bond dekning, lekk microfluidic funksjoner og lav total bindestyrke. Disse regionene er synlige som lettere flekker med fargede interferenslinjer (gule piler). (B) Omvendt altfor aggressive løse liming gir utmerket bindingen dekning, men kan også forårsake betydelig damage til microfeatures, og dermed deformeres eller lukking av enhets kanaler (gule piler). (C) En optimalisert løsemiddel plast system oppnår god bond dekning og styrke, og minimerer skader på microfeatures samtidig skikkelig tetting dem. (D) I noen tilfeller, og legger av løsemidler spor parallelt med enhets kantene (gul pil) kan bidra til å forbedre bindingen dekning og riktig forsegle microfeatures. Sporene kan være nødvendig dersom bedre binding dekning er nødvendig, men det er uønsket å øke oppløsningsmiddelstyrke (på grunn av den resulterende økte skade på microfeatures). Skala barer = 1 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: Tverrsnitt av Bonded enheter. Løsemiddelet bonding prosessen can deformeres microfeatures hvis oppløsningsmidlet er altfor aggressiv, eller hvis bindingen temperatur eller trykk er for høyt. Inspeksjon tverrsnitt av bundne enheter vil avdekke tilfeller av microfeature deformasjon. Utføre slike inspeksjoner for hver enkelt plast-løsemiddelsystem kan bidra til å etablere optimale parametere for å oppnå ønsket microchannel kvalitet. Representative bilder vises for tverrsnitt av en 500 mikrometer kvadratisk PMMA kanal bundet med passende (til venstre) og altfor aggressiv (høyre) løsemiddelblandinger. To indikatorer på graden av oppløsningsmiddel-indusert deformasjon er de avrundede hjørner og rette vegger, og tykkelsen av et løsningsmiddel-rike lag av plast på flater som var i kontakt med løsningsmidlet (gule piler). Scale bar = 200 mikrometer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: Ikke-destruktiv inspeksjon via Mikros. Nøye undersøkelse med et optisk mikroskop kan identifisere regioner av ubundet plast, spesielt nær microfeature kanter, eller på små bindingsarealer. Ubundne områder (røde piler) vises litt mørkere enn limte områder på grunn av den tynne luftspalte mellom plastlagene, og farget interferenslinjer er noen ganger også synlige i disse områdene. Identifisere områder av dårlig binding kan indikere behov for en andre iterasjon av bonding, med løsemiddel lokalt lagt til problemområder. Scale bar = 1 mm.

Figur 5: Redusere Skade kanaler ved å legge Solvent Bare å Grooves. Den mikroskopbilde viser et tverrsnitt av en PMMA kanal omgitt av to spor. Løsningsmidlet kan tilsettes til Grooves mens de to innretnings lagene presses sammen, i stedet for flom bonding grensesnitt med oppløsningsmiddel. Dette reduserer sterkt oppløsningsmiddel i kontakt med innsiden av microchannel, og således reduserer oppløsningsmiddel-indusert deformasjon. Denne fremgangsmåten er nyttig når en aggressiv oppløsningsmiddel er nødvendig for å sikre høy bindingsstyrke og dekning, men kontakten mellom løsningsmidlet og mikrokanaler trenger å bli minimalisert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6: Holdbarhet og Sammenligning med (Plasma-Assisted) Termisk liming. Løsningsmidlet binding (A) gir bedre binding kvalitet enn plasma-assistert termisk binding (B) eller termisk binding (C) teknikker, og også bedre holdbarhet i celleinkubator betingelser (37 ° C, 100% luftfuktighet). Begge termiske teknikker rutinemessig forlate betydelige "glorier" av ubundne plast rundt microfeatures, med plasma-assistert termisk bonding er bedre enn vanlig termisk binding. Disse obligasjonene også brytes ned over tid, med de ubundne regionene vokser i størrelse. Mens løsningsmidlet er bundet COP-enheten viste ingen endring i binding i løpet av 48 timer i en inkubator (A), den termiske plasma bundet anordning delaminert fullstendig (B). Den vanlige termiske bundet enheten begynte å delaminere i løpet av 10 min i omgivelsesbetingelser (C), og også delaminert helt i inkubatoren. Skala barer = 5 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Plast	Løsemiddel		Trykk (kPa)	Varighet (min)	Merknader
PMMA	100% etanol	70	2300	2	Beste alternativ hvis en oppvarmet presse er tilgjengelig (kreves for høyt trykk). Konsekvent gir utmerket binding dekning (uten anvendelse av oppløsningsmiddeloppbevaringsspor), med lav deformasjon av microfeatures. Krever svært lite løsningsmiddel, og er meget ufølsom for bobler og støv / smuss ved liming grensesnitt på grunn av høyt trykk.
PMMA	75% aceton / 25% vann	40	30	20	Dårligere konsistens til ovennevnte metode og tar lengre tid, men krever ikke oppvarmet trykk (kan gjøres med kokeplate og frie vekter). Bond dekningen er sterkt hjulpet av bruk av løsemidler grooves.
COP 35% Cykloheksan / 65% 2-propanol	25 -> 70 *	350	15 *	Vi har funnet at forvarming av kokeplaten forårsaker for mye innledende fordampning, og også fører til bleking av plast. I stedet legger vi enheten på en romtemperatur kokeplate og deretter øke temperaturen til 70 ° C (rampehastighet på 5 ° C / min). Etter at temperaturen stabiliseres ved 70 ° C (i 9 min), vi binding ved denne temperatur i ytterligere 15 min.

Tabell 1: Solvent Liming Parametere. Oppsummering av kombinasjoner av plast, oppløsningsmidler, temperaturer og trykk for PMMA og COP oppløsningsmiddel binding protokollen.

Discussion

Gjennomførbarheten av potensielle bindings strategier avhenger av tilgjengelig utstyr. Mens kokeplatene er relativt vanlige og vekter kan kjøpes billig, vil høytrykks strategier som krever bruk av en oppvarmet presse. For eksempel krever vår optimal PMMA bonding oppskrift høytrykks å bånd med etanol (se tabell 1), og det nødvendige trykket er ikke oppnåelig for vanlige enhets størrelser ved hjelp av frie vekter. Hvis således bare en varmeplate og vekter er tilgjengelige, PMMA kan i stedet være bundet sammen med et annet løsemiddel (75% aceton i vann). I tillegg er bruken av oppløsningsmidler som krever en avtrekkshette kan også begrense gjennomførbarhet, særlig hvis høye trykk er nødvendig, da slike strategier vil kreve både bruken av en oppvarmet presse og behovet for å passe pressen i en avtrekkshette. Disse hensynene kan hjelpe løsemiddel valg ved utvikling av nye løsemiddel plast systemer, med preferanse gitt til mindre skadelige løsemidler og lavere trykks som fortsatt tilbyr høy kvalitet binding.

Etter et løsningsmiddel bonding metode har blitt optimalisert for en bestemt plast, kan det være gjenstående utfordringer med dårlig binding dekning i nærheten av enhetens kanter, på grunn av fordampning effekter under bindingsprosessen. Som nevnt i representative resultater delen, en strategi som kan redusere disse problemene er i tillegg en av løsemidler spor som går parallelt med kantene av interesse (dvs. den ytre kanten på enheten, og sammen med noen kanaler eller porter som typisk har bonding vanskelighetsgrad). I tillegg kan to eller flere gjennom-hull-portene kan tilsettes til hvert spor (og / eller sporene kan være koblet til), slik at løsningsmidlet kan legges direkte inn i sporene med en pipette. Dette har to potensielle bruker: (i) oppløsningsmiddel kan tilsettes til sporene i stedet for flom binding grensesnitt, som i stor grad minimaliserer kontakten mellom løsningsmidlet og veggene i mikrokanalene (se figur 5),og (ii) hvis den innledende forsøk på binding later noen områder med dårlig binding dekning, mer oppløsningsmiddel kan tilsettes lokalt for en andre runde med kontakt, noe som ofte tetter eventuelle gjenværende kritiske områder rundt microfeatures. Det er verdt å merke seg at sporene kan legge til fabrikasjon tid, og siden de tar opp plass på enheten, kan ikke være mottagelig for noen design med høy tetthet.

En felles utfordring med binde strategier er justeringen av enheten lagene under binding. Flere strategier er mulige, avhengig av krav til nøyaktighet. Dersom justeringen ikke er kritisk (dvs. hvis alle microfeatures er på ett lag, som er bundet til en flat underliggende substratlag), deretter manuell justering for hånd er tilstrekkelig. For mer krevende justerings kravene, kan hånd justering likevel være tilstrekkelig, men dette avhenger litt av dyktighet av den enkelte forsker. Vi kan rutinemessig oppnå innretting nøyaktighet innenfor 100 mikrometer, og smarte avgjørelserpå enheten design kan slappe krav til justering nøyaktighet (dvs. ved å designe toleranser i de microfeatures på enheten hvis det er mulig, slik at små forskyvninger ikke påvirke enhetens ytelse). En nyttig teknikk for å hjelpe til med hånden justering er å bruke så lite løsemiddel som mulig for å dekke bonding overflaten. Med store mengder av oppløsningsmiddel, plastsjiktene "flyter" på det tynne lag av væske, og ikke opprettholde deres oppstilling når enheten er overført til kokeplaten eller oppvarmede presse. I motsetning til dette et meget tynt lag av oppløsningsmiddel bidrar til å "stikke" plastlagene sammen og opprettholde innretting etter at de er justert for hånd.

Hvis mer nøyaktig justering er nødvendig, mulige strategier inkluderer L-formede hjørnebeslag for å holde enheten lagene sammen, justeringspinnene som går gjennom enheten lag, ved hjelp av tape på utsiden av enheten for å sikre lagposisjonene eller spesialbygde jigs som kan holde tHan enhet under bindingstrinnet. For alle disse strategiene, merk at justeringen maskinvare må vanligvis være kortere enn den totale bunkehøyde på enheten slik at trykket kan brukes på forsiden av enheten under binding.

Utfordringen for oppløsningsmiddel binding er vanligvis ikke bredde, men dybden av mikrokanaler fordi grunne mikrokanaler kan bli skjult av en altfor aggressiv løsningsmiddel eller ved svært høye temperaturer og trykk. For en gitt dybde, bredere kanaler er mer utsatt for å kollapse enn trange kanaler. Selv om vi ikke har fremstille kanaler under 50 mikrometer i bredde (på grunn av begrensninger i vår CNC fresemaskin som begrenser den minste diameter endmill vi kan bruke), har vi rutinemessig limt kanaler som er adskilt med avstander i størrelsesorden 25 um. I form av dybde, har vi også lykkes limt svært grunne kanaler (~ 15 mikrometer) ved hjelp av denne metoden.

Til slutt, en sammenligningav væskefase løsemiddel binding til andre bonding teknikker er berettiget. Tre andre vanlige bindingsteknikker er dampfase-oppløsningsmiddel liming, termisk diffusjonsbinding, og plasma-assistert termisk diffusjonsbinding. Dampfaseløsemiddelbinde deler mange av de samme egenskapene av flytende fase løsningsmiddelbinding, men er etter vår erfaring mer vanskelig å utføre og mindre fleksibel, noe som fører til mindre konsekvente resultater. Påføring av løsningsmiddel i dampfase krever enten et vakuumkammer eller et dampkammer med en anordning holder, og vi finner prosessen er mindre kontrollerbar enn ved hjelp av væske. I tillegg er dampfase-teknikker er sjelden mottagelig for bruk sammen med oppløsningsmiddelblandinger, siden nesten alle blandinger er ikke-azeotrop, og således vil endre deres sammensetning fra flytende til gassfase, avhengig av omgivelsestrykk og temperatur.

Termisk diffusjonsbinding innebærer å trykke enheten lagene sammen ved forhøyet temperatur nær glassomvandlingstemperaturen(T _g) av plast. Den høye temperaturen øker polymerkjeden mobilitet, slik at kjedene til interdiffunderes over bonding grensesnitt og danne en obligasjon. ¹⁰ Imidlertid, fordi hele enheten blir oppvarmet til den samme temperatur, kjedemobilitet økes overalt, og microfeatures bli forvrengt og avrundet ^9,10. Dermed øker bindingsstyrken (på grunn av høyere temperatur bonding) kommer i direkte kostnadene for skade på microfeatures. En modifikasjon av termisk binding er bruken av et pre-bånd oksygenplasma overflatebehandling, noe som senker den lokale (overflate) T _g av polymeren ^20. Dette plasma-assistert termisk binding muliggjør således binding å skje ved lavere temperaturer, lenger bort fra hoveddelen T _g. Selv om dette reduserer mengden av deformasjon til microfeatures sammenlignet med termisk binding, er det funnet at initial binding dekning og styrke er fremdeles mye lavere i forhold til løsningsmiddel binding, og importantly, båndene brytes ned over påfølgende timer. Som vist i figur 6, plasma-assistert termisk bundne enheter viste betydelig tap av binding dekning over 48 timer i en celleinkubator, mens oppløsningsmiddelbundet enheter viste ingen forandringer.

Her beskrev vi en enkel, effektiv protokoll som er avhengig av væskebasert løsemiddel binding for å oppnå kvalitet obligasjoner for PMMA og COP microfluidic enheter. Våre resultater viser at konkrete tiltak for PMMA og COP bonding vil føre til sterke og optisk klare obligasjoner med neglisjerbar deformasjon av microfeatures, og at bruk av spor og justering maskinvare kan omgå vanlige praktiske problemer i løpet av løsemiddel bonding prosedyren. Innlemming denne metoden til fabrikasjon prosessen vil akselerere utviklingen av PMMA og COP-baserte microfluidic enheter, og at forskerne lettere adoptere termoplast i sine microfluidic enhet design.

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.