Name: Mikrofluidische Rapid- und Low-Cost-Prototyping-Verpackungsmethoden mit hohem Durchsatz (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-23T13:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Erfahren Sie schnelle Mikrofluidik-Prototyping-Methoden mit PDMS-Interconnectoren für flexible Testaufbauten. Diese Techniken ermöglichen kostengünstige Entwicklung wiederverwendbarer Mikrofluidik-Systeme für biologische Anwendungen.

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Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch NSERC und den Canada Research Chair in Smart Medical Devices und sind dankbar für die verschiedenen Tools, die von CMC Microsystems und ReSMiQ zur Verfügung gestellt werden. Dank gebührt Laurent Mouden für seine Beiträge zu diesem Werk.

1. Abnehmbarer PDMS-basierter Interkonnektor für mikrofluidische Niederdruckanwendungen15-16
<ol>
	<li>Vorbereitung 
	In diesem Abschnitt werden verschiedene Schritte zur Vorbereitung des Glases und des PDMS beschrieben, um den Interkonnektor herzustellen.
	<ol>
		<li>Bereiten Sie das PDMS vor: Mischen Sie das PDMS und das Härter im Verhältnis (10:1).</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass die Ofentemperatur auf einer konstanten Temperatur von 80 °C stabilisiert ist. Verwenden Sie je nach Ofen ein Messgerät, um die Temperatur des Ofens zu messen und dann manuell zu überwachen.</li>
		<li>Reinigen Sie die Petrischale gründlich mit Ethanol.</li>
		<li>Reinigen Sie die Oberfläche der mikrofluidischen Zugangslöcher, an denen der PDMS-Interkonnektor platziert werden soll.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Fertigung 
	Bei der in diesem Dokument beschriebenen Verbindungsleitung handelt es sich im Wesentlichen um eine nachgiebige Dichtung. Diese Dichtung ist aus PDMS geformt und enthält Löcher, in die Mikroröhrchen eingeführt werden können. Es haftet selbst an der Oberfläche eines mikrofluidischen Chips, um eine auslaufsichere Abdichtung zwischen dem Mikroröhrchen und den Zugangslöchern zu den Mikrokanälen im Chip zu bilden. 
	Führen Sie die folgenden Schritte aus, um die Verbindungsleitung herzustellen.
	<ol>
		<li>Gießen Sie eine dünne Schicht (ca. 2 mm) des PDMS (Flüssigkeit) in eine Petrischale.</li>
		<li>Lassen Sie das PDMS bei einer Temperatur von 80 °C im Ofen 12-15 min leicht polymerisieren. Platzieren Sie den mikrofluidischen Chip, zu dem die Verbindung hergestellt wird, gleichzeitig im Ofen, so dass er die gleiche Temperatur hat.</li>
		<li>Wenn das PDMS zu polymerisieren beginnt, nehmen Sie es aus dem Aushärtungsofen.</li>
		<li>Verwenden Sie einen Biopsiestanzer, um Löcher mit dem gewünschten Durchmesser in die mikrofluidische Chipoberfläche zu bohren.</li>
		<li>Schneiden Sie mit der Klinge das gewünschte Stück PDMS ab. 
		Hinweis: Es wird empfohlen, zunächst ein größeres Stück Material auszuschneiden, als später benötigt wird. Um die Verwendung mehrerer Steckverbinder zu vermeiden, ist es wünschenswert, dass jeder PDMS-Steckverbinder in eine quadratische Form geschnitten und Löcher gestanzt werden, um der maximal möglichen Anzahl von Löchern auf dem Chip des Benutzers zu entsprechen.</li>
		<li>Halten Sie die Löcher etwas kleiner als den Außendurchmesser des Mikroröhrchens.</li>
		<li>Entfernen Sie das PDMS schnell von den Petrischalen und platzieren Sie es auf dem mikrofluidischen Chip.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass sich weder auf dem PDMS noch auf dem Chip Staub befindet, und stellen Sie sicher, dass die Zugangslöcher auf dem mikrofluidischen Chip mit denen des PDMS ausgerichtet sind.</li>
		<li>Führen Sie mit einem Mikropositionierer Rohre (z. B. Teflonrohre) durch den PDMS-Interkonnektor ein. Die Schläuche sollten 110 % des Durchmessers des mikrofluidischen Zugangslochs haben, um ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. Je nach Anwendung des Benutzers können die gleichen Schläuche an das Flüssigkeitsinjektionssystem angeschlossen werden. 
		Anmerkung: Platzieren Sie die Schläuche immer mit einem Mikropositionierer, die PDMS-Schicht ist nicht sehr dick und kann sich ablösen, wenn die Schläuche verdreht werden.</li>
		<li>Falls erforderlich, fügen Sie Epoxidharz zwischen der Tube und dem PDMS hinzu, um eine bessere Haftung zu gewährleisten. 
		Ein Beispiel für die fertiggestellte Verbindungsleitung ist in den Abbildungen sowie in Ghallab und Badawy2 dargestellt.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Verbindung von Mikroröhrchen in mikrofluidischen Anwendungen mit Epoxid17 
Wenn Sie einen Interkonnektor herstellen, stellen Sie sicher, dass die Kante des Mikrorohrs korrekt geschnitten ist. Verwenden Sie eine neue, scharfe Klinge, um die Kante des Mikroröhrchens gerade zu schneiden und sicherzustellen, dass der Kontakt zwischen Mikroröhrchen und Zugangsloch gleichmäßig ist.
<ol>
	<li>Platzieren Sie das Mikroröhrchen mit dem Mikropositionierer vorsichtig in der Zugangsöffnung des Mikrofluidik-Chips.</li>
	<li>Üben Sie einen kleinen Druck auf den Epoxidspender aus, um Epoxidharz auf die Zugangslöcher aufzutragen, oder platzieren Sie es manuell.</li>
	<li>Lassen Sie das Epoxidharz mit den folgenden Schritten aushärten:
	<ol>
		<li>UV-härtendes Epoxidharz: Setzen Sie das UV-Epoxidharz je nach Menge des verwendeten Epoxidharzes 3-10 Minuten lang einer UV-Quelle aus. Weitere Informationen finden Sie in den Epoxidspezifikationen.</li>
		<li>Standard-Epoxidharz: Wenn das mikrofluidische Substrat nur bei RT verwendet werden soll, muss das Epoxidharz bei RT 24 Stunden lang aushärten. Wenn das Substrat hohen Temperaturen standhalten muss, verfestigen Sie das Epoxidharz schnell, indem Sie es je nach Anwendung mit einem Ofen oder einer Heizung 100 °C aussetzen. Weitere Informationen finden Sie in den Epoxidspezifikationen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Montagetechnik für wiederverwendbare mikrofluidische Chips mit elektrischer Schnittstelle17
<ol>
	<li>Zusammenbau der Komponenten 
	Abbildung 2 zeigt die Verbindungen zwischen den elektrischen Steckverbindern auf der Leiterplatte und den elektrischen Pads auf dem Mikrofluidik-Chip. Gehen Sie folgendermaßen vor, um die PCB-/Mikrofluidik-Chip-/Plexiglaskomponenten zusammenzubauen: 
	Vorsicht: Vermeiden Sie übermäßigen Kompressionsdruck, der den mikrofluidischen Chip brechen kann.
	<ol>
		<li>Löten Sie die oberflächenmontierbaren mehrpoligen elektrischen Steckverbinder an die Leiterplatte.</li>
		<li>Wenn die elektrischen Pads des Mikrofluidik-Chips oberflächenverunreinigt sind, reinigen Sie sie mit Plasmasauerstoff, andernfalls reinigen Sie die Pads mit Ethanol.</li>
		<li>Schneiden Sie das leitfähige Band mit einer scharfen Klinge in kleine Stücke mit den gleichen Abmessungen wie die elektrischen Pads des Mikrofluidik-Chips, wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt.</li>
		<li>Legen Sie das leitfähige Klebeband mit einer Pinzette auf die elektrischen Pads der Leiterplatte.</li>
		<li>Richten Sie den Mikrofluidik-Chip aus und platzieren Sie ihn dann auf der Leiterplatte. 
		Anmerkung: Verwenden Sie für die Genauigkeit der Platzierung eine Ausrichtmaschine.</li>
		<li>Legen Sie eine Isolationsschicht (z. B. Papier) auf die Leiterplatte, um Kurzschlüsse zu vermeiden, bevor Sie die Metallhalterungen installieren, abhängig von der Position der PCB-Leiterbahnen.</li>
		<li>Befestigen Sie die Metallhalterung mit Maschinenschrauben und Muttern.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>disassemblierend
	<ol>
		<li>Entfernen Sie die Maschinenschrauben, Muttern und die Metallhalterungen.</li>
		<li>Trennen Sie vorsichtig den mikrofluidischen Chip und die Leiterplatte.</li>
		<li>Verwenden Sie Ethanol, um den leitfähigen Klebebandkleber von den elektrischen Pads auf der Leiterplatte und dem mikrofluidischen Chip zu entfernen, bevor Sie ihn wieder zusammenbauen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Pamme, N., Wilhelm, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+sorting+of+magnetic+cells+via+on-chip+free-flow+magnetophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow magnetophoresis.</a> Lab Chip. 6, 974-980 (2006).</li>
<li>Ghallab, Y., Badawy, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensing+methods+for+dielectrophoresis+phenomenon%3A+from+bulky+instruments+to+lab-on-a-chip%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Circuits+Syst.+Mag%22%5BJournal%5D)">Sensing methods for dielectrophoresis phenomenon: from bulky instruments to lab-on-a-chip.</a> IEEE Circuits Syst. Mag. 4, 5-15 (2004).</li>
<li>Hwang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CMOS+Microelectrode+Array+for+Electrochemical+Lab-on-a-Chip+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J.+Sensors%22%5BJournal%5D)">CMOS Microelectrode Array for Electrochemical Lab-on-a-Chip Applications.</a> IEEE J. Sensors. 9, 609-615 (2009).</li>
<li>Dürr, M., Kentsch, J., Müller, T., Schnelle, T., Stelzle, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdevices+for+manipulation+and+accumulation+of+micro-+and+nanoparticles+by+dielectrophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">Microdevices for manipulation and accumulation of micro- and nanoparticles by dielectrophoresis.</a> Electrophoresis. 24, 722-731 (2003).</li>
<li>Chuang, C. H., Huang, Y. W., Wu, Y. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dielectrophoretic+chip+with+multilayer+electrodes+and+micro-cavity+array+for+trapping+and+programmably+releasing+single+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed.+Microdev%22%5BJournal%5D)">Dielectrophoretic chip with multilayer electrodes and micro-cavity array for trapping and programmably releasing single cells.</a> Biomed. Microdev. 14, 271-278 (2012).</li>
<li>Xie, L., Premachandran, C., Chew, M., Chong, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+Disposable+Bio-Microfluidic+Package+With+Reagents+Self-Contained+Reservoirs+and+Micro-Valves+for+a+DNA+Lab-on-a-Chip+%28LOC%29+Application%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Adv.+Packag%22%5BJournal%5D)">Development of a Disposable Bio-Microfluidic Package With Reagents Self-Contained Reservoirs and Micro-Valves for a DNA Lab-on-a-Chip (LOC) Application.</a> IEEE Trans. Adv. Packag. 32, 528-535 (2009).</li>
<li>J. Beebe, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+hydrogel+structures+for+autonomous+flow+control+inside+microfluidic+channels%5BTitle%5D)+AND+%22Lett.+Nat%22%5BJournal%5D)">Functional hydrogel structures for autonomous flow control inside microfluidic channels.</a> Lett. Nat. 404, 588-590 (2000).</li>
<li>Howlader, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Room-temperature+microfluidics+packaging+using+sequential+plasma+activation+process%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Adv.+Packag%22%5BJournal%5D)">Room-temperature microfluidics packaging using sequential plasma activation process.</a> IEEE Trans. Adv. Packag. 29, 448-456 (2006).</li>
<li>Farris, S., Vitek, J., Giroux, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deep+brain+stimulation+hardware+complications%3A+The+role+of+electrode+impedance+and+current+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Mov.+Disord%22%5BJournal%5D)">Deep brain stimulation hardware complications: The role of electrode impedance and current measurements.</a> Mov. Disord. 23, 755-760 (2008).</li>
<li>Nelson, M. J., Pouget, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+Electrode+Properties+Create+a+Problem+in+Interpreting+Local+Field+Potential+Recordings%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Do Electrode Properties Create a Problem in Interpreting Local Field Potential Recordings.</a> J. Neurophysiol. 103, 2315-2317 (2010).</li>
<li>Han, K. H., Frazier, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliability+aspects+of+packaging+and+integration+technology+for+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Dev.+Mat.+Rel%22%5BJournal%5D)">Reliability aspects of packaging and integration technology for microfluidic systems.</a> IEEE Trans. Dev. Mat. Rel. 5, 452-457 (2005).</li>
<li>Ye, X., Kim, W. S., Rubakhin, S. S., Sweedler, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+nitric+oxide+by+4%2C5-diaminofluorescein+without+interferences%5BTitle%5D)+AND+%22Analyst%22%5BJournal%5D)">Measurement of nitric oxide by 4,5-diaminofluorescein without interferences.</a> Analyst. 129, 1200-1205 (2004).</li>
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<li>Kaler, K. V. I. S., Dalton, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+cost+effective%2C+re-configurable+electrokinetic+microfluidic+chip+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Sens.+Actuators+B+Chem%22%5BJournal%5D)">A cost effective, re-configurable electrokinetic microfluidic chip platform.</a> Sens. Actuators B Chem. 123, 628-635 (2007).</li>
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<li>Miled, M. A., Sawan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Removable+PDMS-based+Interconnector+for+Low-pressure+Microfluidic+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22CMC+application+note%22%5BJournal%5D)">Removable PDMS-based Interconnector for Low-pressure Microfluidic Applications.</a> CMC application note. , (2012).</li>
<li>Miled, M. A., Sawan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Assembly+Technique+for+Reusable+Microfluidic+Chips+with+Electrical+Interface%5BTitle%5D)+AND+%22CMC+application+note%22%5BJournal%5D)">An Assembly Technique for Reusable Microfluidic Chips with Electrical Interface.</a> CMC application note. , (2012).</li>
<li>Li, S., Chen, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polydimethylsioxane+fluidic+interconnects+for+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Adv.+Packag%22%5BJournal%5D)">Polydimethylsioxane fluidic interconnects for microfluidic systems.</a> IEEE Trans. Adv. Packag. 26, 242-247 (2003).</li>
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<li>Kua, C. H., Lam, Y. C., Yang, C., youcef-Toumi, K., Rodriguez, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+of+dielectrophoretic+force+for+moving+dielectrophoresis+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electrostat%22%5BJournal%5D)">Modeling of dielectrophoretic force for moving dielectrophoresis electrodes.</a> J. Electrostat. 66, 514-525 (2008).</li>
<li>Saarela, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Re-usable+multi-inlet+PDMS+fluidic+connector%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sens.+Actuators+B+Chem%22%5BJournal%5D)">Re-usable multi-inlet PDMS fluidic connector.</a> J. Sens. Actuators B Chem. 114, 552-557 (2006).</li>
<li>Pattekar, A., Kothare, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+microfluidic+interconnectors+for+high+temperature+and+pressure+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Micromech.+Microeng%22%5BJournal%5D)">Novel microfluidic interconnectors for high temperature and pressure applications.</a> J. Micromech. Microeng. 13, 337-345 (2003).</li>
<li>Gray, B. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+interconnection+technologies+for+integrated+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Sens.+Actuators+A+Phys%22%5BJournal%5D)">Novel interconnection technologies for integrated microfluidic systems.</a> J. Sens. Actuators A Phys. 77, (1999).</li>
<li>Miled, M. A., Sawan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrode+robustness+in+artificial+cerebrospinal+fluid+for+dielectrophoresis-based+LoC%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Eng.+Med.+Biol.+Conf%22%5BJournal%5D)">Electrode robustness in artificial cerebrospinal fluid for dielectrophoresis-based LoC.</a> IEEE Eng. Med. Biol. Conf. , 1390-1393 (2012).</li>
</ol>

Es gibt nichts offenzulegen.

Der PDMS-Interkonnektor ist für Niederdruckanwendungen vorgesehen, ein Austreten von Flüssigkeit in das Chip-Zugangsloch beim anschließenden Aufsetzen des PDMS-Interkonnektors auf das Zugangsloch muss verhindert werden. Daher beträgt die empfohlene Dicke von PDMS weniger als 2 mm. Eine größere Dicke kann zu einer schwachen Adhäsion des PDMS an der mikrofluidischen Chipoberfläche führen und wird nicht empfohlen. Ein erfolgloser Versuch wurde mit einer Dicke von 4 mm durchgeführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Haf...

Jüngste Fortschritte in der Mikrofabrikation haben zu komplexeren mikrofluidischen Geräten geführt, die eine große Anzahl von Elektroden und verschiedene Arten von Steuerungsalgorithmen enthalten. Diese Fortschritte zeigten jedoch neue Herausforderungen bei der Verpackung auf. Darüber hinaus ist Lab-on-Chip (LoC) ein multidisziplinäres Konzept, bei dem mikrofluidische Bauelemente, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), mikroelektronische Chips und andere Teile miteinander verbunden sind. Folglich ist es unmöglich, einen Verpackungsprozess zu entwickeln, ohne verschiedene Einschränkungen von LoC-Komponenten zu berücksichtigen, wie z. B. die Empfindlichkeit und der Schutz von Mikroelektronik, Schaltkreisen, Schläuche und mechanische Aspekte. Darüber hinaus steht das Verpacken der Komponenten einer gegebenen LoC in engem Zusammenhang mit der Anwendung1,2. So ist beispielsweise bei optischen Anwendungen die Transparenz des Bausteins entscheidend, insbesondere zu Testzwecken. Daher ist es wichtig, das Systemverhalten zu überwachen, indem das Gerät beobachtbar bleibt. Bei Anwendungen im Zusammenhang mit Zell- oder Partikelmanipulationen ist der Einsatz von Niederspannungstechniken attraktiver, da neue Mikrofabrikationstechnologien aufkommen, die eine Reduzierung der Elektrodenabmessungen (von wenigen Mikrometern auf einen Submikrometerbereichvon 3 bis 5 Mikrometern) ermöglichen, aber die Anzahl der Elektroden erheblich auf 100 oder mehr erhöhen.
Auf der anderen Seite erfordern LoCs, die für chemische und biologische Analysen bestimmt sind, eine Langzeitbeobachtung. So müssen die Systemverpackung und der Prüfstand biologische Kontaminationen sowie Ausfälle in den elektronischen Geräten von LoC vermeiden und das System beobachtbar halten.
In kürzlich veröffentlichten Arbeiten sind Mikrofluidik und MEMS die Hauptbestandteile eines LoC, aber andere Module können für die Überwachung des Systems verwendet werden. Folglich wurde das Testen und Validieren von mikrofluidischen Architekturen mit den neuen Mikrofabrikationsansätzen und den Architekturen mit hoher Komplexität und Durchsatz zu einer Herausforderung. Bisher gibt es für mikrofluidische Systeme keine standardisierten Prüfplattformen oder Halterungen, wie es bei Mikroelektronik-Matrizen der Fall ist.
Forscher schlugen verschiedene Verpackungstechniken für bestimmte Anwendungen vor, wie z.B. Xie et al.6 die ein biomikrofluidisches Packaging mit einem Mikroelektronik-Chip zur Steuerung der DNA-Trennung in mikrofluidischen Kanälen entwickelt haben. Beebe et al.7 entwarf einen mikrofluidischen Kanal mit integrierten Flüssigkeitsreservoirs und stimuli-responsiven Hydrogelventilen zur Manipulation von Flüssigkeitsproben. Andere Systeme schlagen die Verwendung von elektrolytischen blasenbasierten Durchflusssensoren vor, um Drücke durch ein elektrisches Feld zu erfassen, um Luftblasen zu erzeugen und den entsprechenden Druckzu messen 8. Das Sensorsystem misst die Impedanz der Blase und bestimmt dann den Druck, was eine spezielle Verpackung erfordert, die so konzipiert ist, dass keine Störungen in die Messungen eingeführt werden. In einer anderen Arbeit wurde ein mikrofluidisches Verpackungsverfahren bei Raumtemperatur eingeführt, das auf dem sequentiellen Plasmaaktivierungsprozess9 basiert. Trotz der Tatsache, dass dieser Prozess zu einem stark zusammengebauten Gerät führen kann, hat er Einschränkungen, wenn er für Prototyping-Zwecke verwendet wird oder wenn das Gerät mehrmals verwendet wird. Letzteres kann den häufigen Austausch einiger Teile des Systems erfordern. Darüber hinaus führten Lee et al. eine neue Packaging-Technik namens Biolab-on-IC ein, die auf der Verwendung von Magnetfeldern für die Manipulation einzelner magnetischer Beads basiert, wobei die mikrofluidische Architektur auf der Oberseite des integrierten Schaltkreises10 entworfen ist. Darüber hinaus sind die Zuverlässigkeit des Aufbaus und die Integration von mikrofluidischen Systemen unter Berücksichtigung der Systemgröße, der optischen Aspekte und der Verbindungsteile kritische Aspekte, wie von Han und Frazier11 beschrieben. Letzteres spiegelt einen typischen Ansatz für LoC-Systeme wider, bei denen mehrere Parameter während der Verpackung genau festgelegt und gemessen werden müssen.
Folglich ist das mikrofluidische Packaging eine Herausforderung für eine neue Generation von mikrofluidischen Geräten. Die Verpackung umfasst heterogene Teile wie Schläuche, elektrische Anschlüsse und mikrofluidische Halterungen. Bei der Verrohrung ist das Hauptproblem der sehr begrenzte Platz, der für den Anschluss der Schläuche für den Zugang zu den mikrofluidischen Löchern zur Verfügung steht. Der Durchmesser der aktuell handelsüblichen Steckverbinder liegt im Bereich von 6 mm; Der Abstand zwischen den beiden Zugangslöchern wird jedoch mit der Reduzierung der Gesamtsystemabmessungen12-13 kleiner. Aus diesem Grund haben wir eine Schlauchtechnik auf Basis von PDMS vorgeschlagen. Dieser Schlauchprozess ist speziell für die Prototyping-Phase ausgearbeitet. Aufgrund der chemischen Einschränkungen ist es nämlich obligatorisch, das Verbindungsrohr nach jedem Gebrauch zu wechseln, um das Austreten von Flüssigkeit in der Mikrostruktur zu vermeiden und zu minimieren und die Mikrokanäle zu reinigen. Für diese Zwecke ist das in dieser Arbeit beschriebene Verfahren insbesondere für ein schnelles Prototyping-Design geeignet.
Auf der anderen Seite sind elektrische Verbindungen entscheidend für mikrofluidische Geräte, die direkte oder indirekte elektrische Manipulation oder Messung verwenden. Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums der Mikrofluidik können die Abmessungen, die Form und die Anzahl der elektrischen Kontakte des Geräts erheblich variieren. Daher ist eine vielseitige Methode erforderlich, die für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden kann. Kaler et al. berichteten über Ergebnisse ihrer mikrofluidischen Rapid-Prototyping-Plattform, die auf ZIF-Konnektoren (Zero Insertion Force)14 basiert. Anstelle dieser späteren Konnektoren verwenden die vorgestellten Verfahren eine anisotrope klebende leitfähige Folie, die sich leicht an jede Form anpassen lässt.
Viele Forscher berücksichtigen die Testeinschränkungen nicht, wenn sie ihr mikrofluidisches Gerät entwerfen. In der Mikroelektronik gibt es viele Stützen, die für das Prototyping und Testen verwendet werden und als IC-Halter bezeichnet werden. Diese sind hauptsächlich darauf ausgelegt, die Prototyping- und Testzeiten zu verkürzen und Forschern und Ingenieuren eine einfache Möglichkeit zu bieten, Geräte im Falle eines Ausfalls auszutauschen. Ähnlich wie bei der Mikroelektronik schlagen wir auch für mikrofluidische Bauelemente ein neues Prüfpaket vor, das auf eine Gerätegröße von 45 mm x 90 mm begrenzt ist.
Unsere vorgeschlagenen Techniken zielen darauf ab, eine große Anzahl von mikrofluidischen Geräten und Anwendungen abzudecken. Diese Methoden können auf andere Anwendungen angepasst, erweitert und aufgerüstet werden. Unser Ziel ist es, eine der ersten vielseitigen Verpackungsmethoden für mikrofluidische Geräte anzubieten, die für mikrofluidische Manipulationen optimiert sind. Zum Beispiel ist eine Endanwendung für Geräte, die mit diesen Techniken verpackt sind, die Trennung von Polystyrol- und Carboxyl-modifizierten Mikrosphären mit künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit. Dennoch können sie in anderen Anwendungen mit anderen Lösungen eingesetzt werden.
Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden drei verschiedene Schlauchtechniken, 2 elektrische Verbindungsmethoden und eine mikrofluidische Verpackungsmethode vorgestellt und verglichen.

<table><tbody><tr><td>Epoxy 731</td><td>Epotek</td><td>731</td><td></td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>SYLGARD 184</td><td></td></tr><tr><td>UV Epoxy</td><td>Epotek</td><td>OG159</td><td></td></tr><tr><td>Mikropumpe</td><td>Harvard Apparatus</td><td>PHD Ultra</td><td></td></tr><tr><td>PCB</td><td>Advanced Circuits</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td>Ecole Polytechnique</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klebstoff leitfähig Folie</td><td>3M</td><td>9703</td><td></td></tr></tbody></table>

mikrofluidische rapid- und low-cost-prototyping-verpackungsmethoden mit hohem durchsatz

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In dieser Arbeit werden 3 verschiedene Verpackungs- und Montagetechniken vorgestellt. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden: Einweg- und Mehrwegverpackungstechniken.
Die Einwegverpackungstechnik verwendet UV-basierte und temperaturhärtende Epoxidharze, um Mikroröhrchen mit Zugangslöchern zu verbinden, Drahtbonden für integrierte Schaltkreisverbindungen und Silberepoxidharz für elektrische Verbindungen. Diese Methode basiert auf einer robusten Assemblierungstechnik, die einen relativ hohen Druck nahe 1 psi aushalten kann und keine Unterstützung benötigt, um die mikrofluidische Architektur zu stärken.
Wiederverwendbare Verpackungstechniken bestehen aus PDMS-basierten Mikrorohr-Interkonnektoren und anisotropen Klebefolien für elektrische Verbindungen. Diese Geräte sind empfindlicher und zerbrechlicher. Folglich wird die mikrofluidische Struktur um eine Plexiglasstütze erweitert, um den elektrischen Kontakt bei der Verwendung von anisotropen Klebefilmen zu verbessern und die mikrofluidische Architektur zu stärken. Darüber hinaus wird ein Mikromanipulator benötigt, um die Rohre zu warten und sie mit einer dünnen PDMS-Schicht mit den Zugangslöchern zu verbinden. Unterschiedliche PDMS-Schichtdicken von 0,45 bis 3 mm werden getestet, um die beste Haftung mit den Injektionsraten zu vergleichen. Die applizierten Injektionsraten variieren von 50-300 μl/h für 0,45-3 mm PDMS-Schichten. Diese Techniken sind vor allem für Niederdruckanwendungen anwendbar. Sie können jedoch durch das Plasma-Sauerstoff-Verfahren für Hochdruckdruckgeräte erweitert werden, um das PDMS dauerhaft auf Glassubstraten abzudichten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht neben der Tatsache, dass sie wiederverwendbar ist, darin, dass das Gerät auch dann beobachtbar bleibt, wenn die Mikrokanallänge sehr kurz ist (im Bereich von 3 mm oder weniger).

Abbildung 3 zeigt ein detailliertes Schema der vorgeschlagenen Verpackungstechnik. Die Verpackungslösung wurde mit verschiedenen PDMS-Dicken und -Größen getestet, um einen transparenten und effizienten Verpackungsprozess für hybride mikroelektronische/mikrofluidische Mikrosysteme zu charakterisieren, wie in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. Die Abmessungen der konzipierten PDMS-Verbindungsschicht betragen 6 mm × 6 mm und sie dient zum Verbinden zweier Zugangsöffnu...

In diesem Artikel beschreiben wir verschiedene Techniken für mikrofluidische Rapid Prototyping Plattformen. Die vorgeschlagenen Techniken basieren auf ultraviolett (UV) empfindlichen und temperaturhärtenden Epoxidharzen, Schläuchen auf Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS), Drahtbonden und anisotropen Klebefilmen. Die vorgestellten Montageverfahren wurden sowohl für Einweggeräte als auch für wiederverwendbare mikrofluidische Systeme entwickelt.

Mikrofluidische Rapid- und Low-Cost-Prototyping-Verpackungsmethoden mit hohem Durchsatz

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, verschiedene Optionen für mikrofluidische Rapid-Prototyping-Plattformen vorzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein abnehmbarer Interkonnektor mit PDMS hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, Mikroschläuche im Interkonnektor oder direkt am Mikrofluidik-Chip zu befestigen.Als nächstes werden die mikrofluidischen Chips zusammengebaut und mit einer elektrischen Schnittstelle verbunden. Letztendlich wird die Flüssigkeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Interkonnektor in den Mikrofluidik-Chip geströmt. Um die Stärke des PDMS-Interkonnektors zu bewerten, hatte ich die Idee für diese Methode zum ersten Mal, als ich einen mikrofluidischen Chip mit hohem elektrischen Eingang entwarf und einen leicht abnehmbaren Interkonnektor benötigte, um verschiedene Muster der Ausbreitung des elektrischen Feldes des ENC-Kanals mit einer großen Anzahl von ENC-Kanalelektroden zu testen.Bereiten Sie zunächst das PDMS vor, indem Sie das PDMS und das Härter im Verhältnis 10 zu eins mischen und dann die Mischung entgasen, indem Sie sie 60 Minuten lang unter ein niedriges Vakuum stellen. Als nächstes heizen Sie die Ofentemperatur auf 80 Grad Celsius vor und warten Sie, bis sich die Temperatur stabilisiert hat, während der Ofen aufheizt. Reinigen Sie die Oberfläche des mikrofluidischen Chips, auf dem der PDMS-Interkonnektor platziert werden soll, mit Ethanol.Lassen Sie es an einem staubfreien Ort trocknen. Übertragen Sie die PDMS-Schale in den vorgeheizten Backofen und lassen Sie das PDMS 12 bis 15 Minuten lang bei 80 Grad Celsius leicht polymerisieren, platzieren Sie den mikrofluidischen Chip, zu dem die Verbindung hergestellt wird, mit der PDMS-Schicht in den Ofen, so dass er nach 15 Minuten die gleiche Temperatur hat. Entfernen Sie das PDMS und den mikrofluidischen Chip aus dem Aushärteofen.Schneide dann mit einer Rasierklinge ein fünf mal fünf Millimeter großes Stück PDMS aus. Stanzen Sie dann zwei zwei Millimeter Löcher durch die PDMS-Schicht. Entfernen Sie das PDMS aus den Petrischalen und legen Sie es über den mikrofluidischen Chip.Achten Sie darauf, die Löcher genau auszurichten, und drücken Sie dann das PDMS vorsichtig an Ort und Stelle. Wenn die Verbindungsleitung an Ort und Stelle ist, schneiden Sie Teflonrohre mit einem Durchmesser von zwei Millimetern und einem Innendurchmesser von 100 Mikrometern mit einer neuen Klinge so ab, dass die Kante des Mikrorohrs senkrecht zu seiner Länge geschnitten wird. Der Schlauch sollte lang genug sein, um an eine Spritzenpumpe angeschlossen zu werden, ohne die Verbindungsleitung zu belasten.Führen Sie bei Bedarf mit einem Mikropositionierer Rohre durch die PDMS-Verbindungsschicht ein und fügen Sie Epoxidharz zwischen dem Rohr und dem PDMS hinzu, um eine bessere Haftung zu gewährleisten. Verbinden Sie dann das andere Ende der Schläuche mit dem Flüssigkeitseinspritzsystem. Als Alternative zum PDMS-basierten Interkonnektor kann Epoxidharz verwendet werden, um die Mikrorohre dauerhaft an Ort und Stelle zu fixieren.Um dies zu erreichen, verwenden Sie den Mikropositionierer, um das Mikroröhrchen vorsichtig in das Zugangsloch des mikrofluidischen Chips zu platzieren. Tragen Sie dann ein UV-härtendes oder Standard-Epoxidharz um die Zugangslöcher auf und härten Sie es nach Herstellerangaben aus. Beginnen Sie mit dem Löten von elektrischen Steckverbindern für die Oberflächenmontage mit mehreren Stiften auf eine Leiterplatte.Überprüfen Sie dann die elektrischen Pads des mikrofluidischen Chips und reinigen Sie alle Oberflächenverunreinigungen, indem Sie sie etwa 10 Minuten lang Plasmasauerstoff aussetzen, mit mehr oder weniger Zeit, je nach erforderlicher Reinigungsmenge. Wenn keine Oberflächenkontamination festgestellt wird, reinigen Sie die Pads einfach mit Ethanol. Schneiden Sie anschließend mit einer scharfen Klinge leitfähiges Klebeband in kleine zwei Millimeter mal ein Millimeter große Stück, so dass sie die gleichen Abmessungen wie die mikrofluidischen Chips haben.Elektrische Pads. Legen Sie dann mit einer sauberen Pinzette das leitfähige Band über die Schaltflächen auf die Leiterplatte. Richten Sie den mikrofluidischen Chip mit dem Interkonnektor aus, der sich bereits über der Leiterplatte befindet.Legen Sie mit einer Ausrichtungsmaschine eine Isolationsschicht wie Papier auf die Leiterplatte, um Kurzschlüsse zu vermeiden, und befestigen Sie dann die Metallhalterung mit Maschinenschrauben und Muttern, wenn die Montage abgeschlossen ist. Beginnen Sie mit dem Testen der einzelnen Setups, indem Sie entionisiertes Wasser durch die Spritzenpumpe fließen lassen. Erhöhen Sie die Pumpendrehzahl langsam, bis das System zu lecken beginnt, woraufhin der maximale Druck erreicht ist.Entfernen Sie nach dem Experiment die Schrauben, Muttern und Metallhalterungen der Maschine. Trennen Sie dann vorsichtig den mikrofluidischen Chip und die Leiterplatte. Verwenden Sie abschließend Ethanol, um den leitfähigen Bandkleber von den elektrischen Pads auf der Leiterplatte und dem mikrofluidischen Chip zu entfernen, bevor Sie ihn wieder zusammenbauen.In der hier gezeigten Tabelle werden drei verschiedene Techniken zur Befestigung von Verbindungsleitungen verglichen. Der PDMS-Interkonnektor wird für den Einsatz in Niederdruckanwendungen empfohlen, wenn das mikrofluidische Design freigelegt werden muss und ein schnelles Prototyping erforderlich ist. Standard- und UV-Epoxidharz bieten eine starke Verbindung und können sowohl für Nieder- als auch für Hochdruckanwendungen verwendet werden, schaffen aber eine dauerhafte Abdichtung mit dem Gerät, die unerwünscht sein kann.Die PDMS-Verbindungsleitungen werden hier im Vergleich zu einigen der gebräuchlicheren Verbindungsstecker-Setups gezeigt. Der ein Millimeter dicke PDMS-Interkonnektor hält dem dreifachen Druck des 0,45 Millimeter dicken Interkonnektors stand. Dies entspricht der fünffachen Durchflussrate für den ein Millimeter dicken Interkonnektor im Vergleich zum 0,45-Millimeter-Interkonnektor. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 10 bis 20 Minuten abgeschlossen werden, wenn sie richtig durchgeführt wird.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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High-throughput Protein Expression Generator mit einem mikrofluidischen Plattform

Wir haben ein Verfahren zur kostengünstigen und Rapid Prototyping von flüssigen Elastomergummispritzguss Geräte mithilfe Fused Deposition Modeling 3D-Drucker für den Formenbau und einem modifizierten Exsikkator als Flüssigkeitsinjektionssystem entwickelt.

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Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Konstruktion und Herstellung von kundenspezifischen mikrofluidischen Geräten mit minimalen finanziellen und zeitlichen Investitionen. Ziel ist es, die Einführung mikrofluidischer Technologien in biomedizinischen Forschungslaboratorien und Bildungseinrichtungen zu erleichtern.

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