Summary
Opløsningsmiddel limning er en enkel og alsidig fremgangsmåde til fremstilling af termoplastiske mikrofluidenheder med høj kvalitet obligationer. Vi beskriver en protokol for at opnå stærke, optisk klare obligationer i PMMA og COP mikrofluidenheder som bevarer microfeature detaljer ved en velovervejet kombination af tryk, temperatur, et passende opløsningsmiddel, og enhedens geometri.
Abstract
Termoplastiske mikrofluidenheder tilbyder mange fordele i forhold til dem, der foretages af silikone elastomerer, men skal udvikles bonding procedurer for hver termoplast af interesse. Opløsningsmiddel limning er en enkel og alsidig metode, der kan anvendes til at fremstille enheder fra flere plastmaterialer. tilsættes et passende opløsningsmiddel mellem to enheder lag, der skal bindes, og varme og tryk påføres til anordningen for at lette binding. Ved anvendelse af en egnet kombination af opløsningsmiddel, plast, varme og tryk, kan indretningen være forseglet med en høj kvalitet binding, karakteriseret ved at have forøget vedhæftning dækning, bindingsstyrke, optisk klarhed, holdbarhed over tid, og lav deformation eller beskadigelse microfeature geometri. Vi beskriver proceduren for limning indretninger fremstillet af to populære termoplast, poly (methyl-methacrylat) (PMMA), og cyclo-olefinpolymer (COP), samt en række forskellige metoder til at karakterisere kvaliteten af de resulterende bindinger, og strategier til troubleshoot obligationer lav kvalitet. Disse metoder kan anvendes til at udvikle nye opløsningsmiddelbinding protokoller for andre systemer plast-solvent.
Introduction
Microfluidics er opstået i løbet af de sidste tyve år som en teknologi velegnet til at studere kemi og fysik på mikroskala en, og med voksende lover at bidrage væsentligt til biologi forskning 2 - 4. Størstedelen af mikrofluidenheder som historisk har været fremstillet af poly (dimethylsiloxan) (PDMS), en silikoneelastomer, der er let at bruge, billig og tilbyder høj kvalitet funktion replikation 5. Men PDMS har veldokumenterede mangler og er uforenelig med høj volumen fabrikation processer 6,7, og som sådan, har der været en stigende tendens i retning af opdigte mikrofluidenheder fra termoplastiske materialer, på grund af deres potentiale for masse produktion og dermed kommercialisering.
En af de største hindringer for bredere anvendelse af plast mikrofabrikation er blevet opfyldt, let, høj kvalitet limning af plast enheder. Aktuelle strategier ansætte tHermal, lim og opløsningsmidler limning teknikker, men mange lider af betydelige udfordringer. Termisk binding forøger autofluorescens 8 og ofte deformerer mikrokanalplader geometrier 9 - 11 mens adhæsive teknikker kræver stencils, omhyggelig justering, og i sidste ende forlade tykkelsen af klæbemidlet udsat for mikrokanal 10. Opløsningsmiddel limning er attraktivt på grund af sin enkelhed, justerbarhed, og lave omkostninger 10,12 - 14. Især dens justerbarhed muliggør optimering for flere plastmaterialer, som kan give ensartet, høj kvalitet bonding, der minimerer deformation af microfeatures 14.
Under opløsningsmiddel limning, eksponering opløsningsmiddel forøger mobiliteten af polymerkæder nær overfladen af plasten, som muliggør indbyrdes diffusion af kæder på tværs af bonding interface. Dette forårsager sammenfiltring via mekanisk aflåsning af de spredende kæder, og resulterer i aphysical obligation 10. Termisk binding virker på en lignende måde, men er afhængig af forhøjet temperatur alene at øge kæde mobilitet. Således termiske metoder kræver temperaturer nær eller over glasovergangstemperaturen af polymeren, hvorimod anvendelsen af opløsningsmidler kan reducere temperaturen nødvendig for binding og således reducere uønskede deformation.
Vi leverer en særlig protokol til limning både PMMA og COP-enheder. Men denne protokol og metode beskriver, en enkel, generisk tilgang til opløsningsmiddel limning af termoplastiske mikrofluidenheder, der kan skræddersyes til andre plastmaterialer, opløsningsmidler og tilgængeligt udstyr. Vi beskriver mange metoder til at vurdere kvaliteten af obligationer (f.eks bond dækning, vedhæftningsstyrke, obligationer holdbarhed, og deformation af microfeature geometrier), og giver fejlfinding tilgange til at løse disse fælles udfordringer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk, at alle de nedenfor beskrevne trin er blevet udviklet og udført i et ikke-renrumsmiljø. kan helt sikkert udføres Trinnene bonding opløsningsmiddel i et renrum, hvis de er tilgængelige, men det er ikke påkrævet.
1. Fremstilling af termoplastiske mikrofluidapparatet Lag
- Design og fabrikere mikrofluidanordning lag fra den termoplastiske valg, under anvendelse af en passende fremstillingsmetode (f.eks mikroformaling 15, prægning 16 - 18 sprøjtestøbning).
- Efterse enhed lag for at sikre, at kanterne er "ren" (dvs. ingen grater eller kanter af sidesten materiale fra produktionsprocessen). For de bedste resultater, skal du kontrollere alle fræsede mikro-feature kanter ud over de udvendige kanter af enheden under et optisk mikroskop.
- Hvis der findes sidesten materiale under visuel inspektion, bruge et barberblad eller skalpel til at fjerne omhyggeligt enhver måttenerial der forhindrer enheden lag fra liggende fladt mod hinanden, således at grænsefladerne mellem lagene kommer i overensstemmende kontakt.
- Rengør apparat overflader med laboratorie sæbe og vand og tør med trykluft. Sænk device lag i 2-propanol i 2 minutter og tør med komprimeret luft.
2. Opløsningsmiddel Bonding
- Forbered opvarmet presse (for PMMA) eller kogeplade (for COP).
- For PMMA (støbt acryl, glasovergangstemperatur ~ 100-110 ° C) 18 forvarmning tryk til 70 ° C, og tillade temperaturen at stabilisere sig.
- For COP (glasovergangstemperatur på 102 ° C, producent), forvarmes kogeplade til 25 ° C, og tillade temperaturen at stabilisere sig.
- Forbered opløsningsmiddel til limning proces.
- For PMMA, måle 0,5 ml ethanol pr kvadrattomme af limning område.
- For COP, forberede en 65:35 blanding af 2-propanol og cyclohexan, Vidha samlet volumen på 0,5 ml af blandingen pr kvadrattomme af limning område.
BEMÆRK: COP, bruge glas pipetter og containere, som cyclohexan vil opløse fælles polypropylen labware. Udføre alle blanding og binding i et stinkskab, som cyclohexan er giftigt.
- Dispensere 0,1 ml opløsningsmiddel pr kvadrattomme af limning området mellem rengjorte plastlag og bringe lagene sammen. Visuelt inspicere for luftbobler ved limning grænseflade, som er fælles, og bør fjernes så meget som muligt.
BEMÆRK: Det er gavnligt at arbejde hurtigt, når opløsningsmidlet er blevet afgivet, som flygtige opløsningsmidler vil begynde at fordampe (og dermed vil opløsningsmiddelblandinger ændring af sammensætningen).- Hvis boblerne er til stede, skal du skubbe de to plastlag langs bonding grænseflade, så de næsten kommer fra hinanden (men forblive i kontakt), og skub dem sammen igen.
- Juster lag af enhed med opretningsstifter,en brugerdefineret jig, eller blot med hånden (se Diskussion afsnittet for yderligere detaljer).
- Hvis du bruger alignment pins, justere hullerne til benene, og sæt benene i stakken enheden.
- Hvis du bruger en brugerdefineret jig, indsætte enhed stak den ind i jig og stram omkring enheden.
- Hvis justering i hånden, brug fingrene til at justere de ydre kanter af enheden.
- Placer enheden med opløsningsmiddel i den forvarmede presse (for PMMA) eller på den forvarmede kogeplade (for COP).
- For PMMA, anvende 2300 kPa tryk i 2 min.
- For COP, anvende 350 kPa tryk. Øge temperaturen fra 25 ° C til 70 ° C med en hastighed på 5 ° C / min. Efter at have nået 70 ° C (efter 9 min), obligation i yderligere 15 min.
- Brug en pincet for sikkert at fjerne den varme enhed til inspektion. Bonding er nu færdig.
- Fjern eventuelle resterende væske i apparatet (i mikrokanaler eller andre features).
- For PMMA, fjerne enhver resterende væske med trykluft. For COP, placere bundet enhed på kogeplade og bages ved 45 ° C i 24 timer for at fjerne enhver resterende cyclohexan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En skematisk af den generelle fremgangsmåde bonding opløsningsmiddel er vist i figur 1. Den nemmeste måde at vurdere obligation kvalitet er visuelt inspicere bond dækning, da dårlig obligation dækning er let synlig som regioner af ikke-bundet plast, og er tegn på svag binding. Sådanne regioner er typisk nær frie kanter (f.eks periferi enhed, eller i nærheden af åbne porte eller mikrokanaler), og kan også ofte vises omkring eventuelle partikler af snavs eller støv på limning interface. Dårlig binding dækning grund af svag binding ses typisk under protokol udviklingsfase, før den optimale sammensætning og bindingsbetingelser opløsningsmidler er fundet, og eksempler er vist i figur 2A. Typisk svag binding tyder behov for én eller flere af: (i) en mere aggressiv opløsningsmiddel (dvs. en højere koncentration opløsning, eller et andet opløsningsmiddel), (ii) en højere temperatur bonding, og (iii) en højere binding prEssure.
Omvendt kan overdrevent aggressive bindingsbetingelser føre til fremragende binding dækning med høj vedhæftningsstyrke, men også beskadiget eller forseglet microfeatures, som vist i figur 2B. Dette er oftest på grund af opløsningsmidlet bliver for aggressiv, selv om den høje temperatur (nærmer glasovergangstemperaturen af plastik) også kan forårsage betydelig deformation.
En høj kvalitet, godt bundet indretning har både god obligation dækning og minimal deformation af microfeatures, som vist i figur 2C. Afhængigt af opløsningsmidlet og temperaturen af valg, kan det være vanskeligt at opnå en god binding dækning nær frie kanter enheden, hvis opløsningsmidlet er meget flygtigt og dermed fordamper hurtigt. I disse situationer tilsætning af små mikroriller til design af indretningen, langs kanterne af interesse, kan bidrage til at begrænse fordampning opløsningsmiddel og dermedforbedre bond dækning, som vist i figur 2D. Vi bruger typisk riller med tværsnitsdimensioner på 500 x 500 um, placeret 300 um fra kanten. 14
Ud over generel visuel inspektion af obligation dækning, bør både destruktive og ikke-destruktive prøvninger anvendes til yderligere at undersøge obligation kvalitet og microfeature skader. To destruktive prøvninger, der er nyttige i den protokol udviklingsfase er (i) på tværs af sektionering og (ii) kile fra hinanden bundne enheder, for at vurdere microfeature geometri og vedhæftningsstyrke hhv. Vi foretrækker at bruge mikroformaling § vores enheder, da vi finder dette giver en god kombination af bekvemmelighed, nøjagtighed, og relativt rene overflader. I mangel af en fræsemaskine andre metoder kan anvendes, selv om de vil præsentere forskellige udfordringer. Eksempler omfatter skæring med en diamant sav eller båndsav (blade ru overflader), omhyggeligt snappingen enhed sammen prægede linier (kan være vanskelig på grund af tykkelsen, og forskydningsspænding kan forårsage anordning at delaminere), eller blot slibning væk del af indretningen (tidskrævende). Ru overflader fra skæring kan udjævnes med slibning.
Uanset hvilken metode der anvendes, bør anordninger snit vinkelret på microfeatures af interesse, og kan inspiceres visuelt under anvendelse af et optisk mikroskop. Størrelsen og formen af microfeature tværsnit vil angive, hvor meget deformation er forekommet på grund af binding. Mindre aggressive opløsningsmidler, og lavere temperaturer og tryk, vil bedre kunne fastholde skarpe hjørner og lige vægge, mens mere aggressive betingelser vil forårsage afrunding af hjørner og vægge, såvel som en nedgang i tværsnitsareal på grund af polymerkvældning. Billeder af typiske resultater er vist i figur 3.
Bindingsstyrke kan måles ved partielly fastkiling hinanden de bundne lag med et mellemlæg og måle afstanden fra kanten af mellemlægget til kanten af delaminering region. Bindingsstyrken kan beregnes ud fra denne afstand, tykkelsen af lagene og afstandsanordningen, og elasticitetsmodulet af plast. 14,19 Hvis den specifikke vedhæftningsstyrke værdi er ikke vigtigt, kile lagene giver hinanden en kvalitativ metode til at vurdere, om obligationen er stærk nok til de typiske kræfter og håndtering enheden vil støde på under eksperimenter.
Ikke-destruktive tests er nyttige for at kontrollere kvaliteten af en enhed, samtidig med at det kan anvendes til sit formål. En enkel og brugbar metode er at inspicere via mikroskopi, primært med fokus på obligationer dækning nær microfeature kanter, eller på små bonding områder. Ubundne regioner ser lidt mørkere end bundne regioner på grund af den tynde luft mellem plastlagene, og som vist i figur 4 </ Strong>, bør være mærkbar ved omhyggelig inspektion med et mikroskop. Finde områder af ikke-bundet plast kan hjælpe direkte en anden iteration af lokaliseret bonding at forsegle kritiske dele af enheden, før brug.
En nyttig teknik til at opnå stærke bånd med en aggressiv opløsningsmiddel, men samtidig minimere skader på mikrokanaler, er at tilføje riller med adgang porte til enhedens design, og kun tilføje opløsningsmiddel til rillerne (i stedet for at oversvømme limning overflade med opløsningsmiddel). Dette reducerer kontakt mellem mikrokanal og det flydende opløsningsmiddel (damp stadig kommer ind i mikrokanalplade), og følgelig reducerer deformation, som vist i figur 5.
Afhængigt af den tilsigtede enhed ansøgningen, kan det være nødvendigt på længere sigt holdbarhed test. For eksempel er mange af vores udstyr anvendes til biologiske eksperimenter, og kan opholde sig i en celle inkubator ENVIjøet (37 ° C, 100% fugtighed) i op til flere uger. Holdbarhed kan vurderes ved at placere testmaterialer i de krævede betingelser for den krævede varighed, og inspiceres bagefter til en visuel reduktion i binding dækning (delaminering af anordningen) eller svækket bindingsstyrke, der tillader, at indretningen kan let kilet hinanden. Eksempler er vist i figur 6, og peger på behovet for at ændre den procedure limning for at opnå højere vedhæftningsstyrke.
Figur 1: Skematisk af bindingsprocessen. Den generelle opløsningsmiddel bonding processen vises. tilsættes flydende opløsningsmiddel mellem de to termoplastiske enhedens lag der skal limes. Lagene samles og bobler fjernes fra væsken ved limning interface. Tryk og varme påføres på indretningen til den ønskede varighed, og det bundne enhed er fuldstændig. Enhver reresterende væske kan fjernes fra åbne porte. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Visuelle eksempler på Varierende Bond Kvalitet. (A) En fælles udfordring med mange flydende opløsningsmiddel bonding tilgange er, at hurtig fordampning forekommer nær frie kanter indretningen under den opvarmede bindingstrin grund opløsningsmiddel flygtighed. Dette fører ofte til områder af ikke-bundet materiale nær disse kanter, hvilket resulterer i dårlig obligation dækning, utætte mikrofluide funktioner, og lav samlet vedhæftningsstyrke. Disse regioner er synlige som lettere patches med farvede interferens frynser (gule pile). (B) Omvendt overdrevent aggressive opløsningsmidler bonding udbytter fremragende obligation dækning, men kan også forårsage betydelig damage til microfeatures og dermed deformerende eller lukke enhedens kanaler (gule pile). (C) En optimeret solvent-plast systemet opnår god obligation dækning og styrke, og minimerer skader på microfeatures mens du stadig korrekt forsegling dem. (D) I nogle tilfælde, tilføjer fastholdelse opløsningsmiddel riller parallelt med enhedens kanter (gul pil) kan hjælpe med at forbedre obligation dækning og ordentligt forsegle microfeatures. kan være nødvendig riller hvis bedre binding dækning er påkrævet, men det er uønskeligt at øge styrken opløsningsmiddel (på grund af den resulterende forøgede beskadigelse microfeatures). Scale barer = 1 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: tværsnit af Bonded Devices. Opløsningsmidlet bindingsprocessen CAn deformere microfeatures hvis opløsningsmidlet er for aggressiv, eller hvis binding temperaturen eller trykket er for højt. Eftersyn tværsnit af bonded enheder vil afsløre tilfælde af microfeature deformation. Udførelse sådanne inspektioner for hvert specifikt system plast-opløsningsmiddel kan hjælpe med at etablere de optimale parametre for at opnå den ønskede mikrokanalplade kvalitet. Repræsentative billeder er vist for tværsnit af en 500-um firkantet PMMA kanal bundet med passende (til venstre) og alt for aggressiv (højre) opløsningsmiddelblandinger. To indikatorer for omfanget af opløsningsmiddel-induceret deformation er afrunding af hjørner og lige vægge, og tykkelsen af et opløsningsmiddel-rige lag plast på overflader, der var i kontakt med opløsningsmidlet (gule pile). Scale bar = 200 um. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Ikke-destruktiv inspektion via mikroskopi. Omhyggelig inspektion med et optisk mikroskop kan identificere områder af ikke-bundet plast, især i nærheden microfeature kanter, eller på små bonding områder. Ubundne regioner (røde pile) se en anelse mørkere end bundet regioner på grund af den tynde luft mellem plastlagene, og farvede interferens frynser er nogle gange også synlige i disse områder. Identificering regioner af dårlig limning kan pege på behovet for en anden iteration af bonding, med opløsningsmiddel lokalt tilføjet til kriseområder. Scale bar = 1 mm.
Figur 5: Minimering Skader på kanaler ved at tilføje Opløsningsmiddel Kun til Grooves. Mikroskopet medie viser et tværsnit af en PMMA kanal omgivet af to riller. Opløsningsmiddel kan tilsættes til grooves mens de to enheder lag presses sammen, i stedet for at oversvømme bonding grænseflade med opløsningsmiddel. Dette i høj grad minimerer solvent kontakt med indersiden af mikrokanalplade, og således minimerer solvent-induceret deformation. Denne fremgangsmåde er nyttig, når der kræves en aggressiv opløsningsmiddel for at sikre høj bindingsstyrke og dækning, men kontakten mellem opløsningsmidlet og mikrokanalerne skal minimeres. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Holdbarhed og Sammenligning med (Plasma-Assisted) varmebehandling. Opløsningsmiddel limning (A) giver bedre binding kvalitet end plasma-assisteret termisk binding (B) eller termisk binding (C) teknikker, og også bedre holdbarhed i celleinkubator betingelser (37 ° C, 100% luftfugtighed). Begge termiske teknikker rutinemæssigt efterlade betydelige "glorier" af ubundne plast omkringliggende microfeatures, med plasma-assisteret termisk binding bliver bedre end almindelig varmebehandling. Disse obligationer også nedbrydes over tid, med de ubundne regioner vokser i størrelse. Mens opløsningsmidlet bundet COP enhed viste ingen ændring i binding i løbet af 48 timer i en inkubator (A), plasma termisk bundne enhed delamineret fuldstændigt (B). Den regelmæssige termisk bundne enhed begyndte at delaminere indenfor 10 min i omgivelsesforhold (C), og også delamineret fuldstændigt i inkubatoren. Scale barer = 5 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Plast | opløsningsmiddel | | Tryk (kPa) | Varighed (min) | Noter | | ||
| PMMA | 100% Ethanol | 70 | 2300 | 2 | Bedste mulighed, hvis en opvarmet presse er tilgængelig (kræves til højtryks). Konsekvent giver fremragende binding dækning (uden anvendelse af opløsningsmidler tilbageholdelse riller), med lav deformation af microfeatures. Kræver meget lidt opløsningsmiddel, og er meget ufølsom over for bobler og støv / snavs på bonding grænsefladen grundet højt tryk. | ||
| PMMA | 75% acetone / 25% vand | 40 | 30 | 20 | Ringere konsistens til ovennævnte metode og tager længere tid, men kræver ikke opvarmet presse (kan gøres med kogeplade og frie vægte). Bond-dækning er stærkt hjulpet af brug af opløsningsmidler fastholdelse riller. | ||
| COP 35% cyclohexan / 65% 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | Vi har fundet, at forvarmning af kogepladen forårsager for meget indledende fordampning, og også fører til blegning af plast. I stedet skal vi placere enheden på en rumtemperatur kogeplade og derefter hæve temperaturen til 70 ° C (rampe på 5 ° C / min). Efter at temperaturen stabiliserer ved 70 ° C (i 9 min), vi binding ved denne temperatur i yderligere 15 minutter. | |||
Tabel 1: Opløsningsmiddel Bonding Parametre. Sammendrag af kombinationer af plast, opløsningsmidler, temperaturer og tryk for PMMA og COP opløsningsmiddel limning protokol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Muligheden for potentielle limning strategier afhænger af tilgængeligt udstyr. Mens kogeplader er forholdsvis almindelige og frie vægte kan købes billigt, vil strategier højt tryk kræver brug af en opvarmet presse. For eksempel vores optimale PMMA bonding opskrift kræver højt tryk til at obligation med ethanol (se tabel 1), og det ønskede tryk er ikke opnåeligt for typiske enhed størrelser ved hjælp af frie vægte. Hvis således kun en kogeplade og vægte er tilgængelige, PMMA kan i stedet bindes med et andet opløsningsmiddel (75% acetone i vand). Derudover er anvendelsen af opløsningsmidler, der kræver et stinkskab kan også begrænse gennemførlighed, især hvis der er brug for høje tryk, som sådanne strategier vil kræve både anvendelse af en opvarmet presse og behovet for at passe pressen inde et stinkskab. Disse overvejelser kan hjælpe med at guide opløsningsmidler valg når vi udvikler nye opløsningsmiddel-plast-systemer, med særligt fokus på mindre skadelige opløsningsmidler og lavere tryks, der stadig tilbyde kvalitet bonding høj.
Efter et opløsningsmiddel metode binding er optimeret til en specifik plast, kan der være resterende udfordringer med dårlig binding dækning nær enhedens kanter, på grund af fordampning virkninger under bindingsprocessen. Som nævnt i repræsentative resultater sektion, en strategi, der kan afhjælpe disse problemer er tilsætningen af et opløsningsmiddel retentionsfure der løber parallelt med kanterne af interesse (dvs. den ydre kant af indretningen, og sideløbende med eventuelle kanaler eller porte, der udviser typisk bonding vanskeligheder). Derudover kan to eller flere gennemgående hul porte hvormed hver rille (og / eller riller kan tilsluttes), således at opløsningsmidlet kan tilsættes direkte ind i rillerne med en pipette. Dette har to potentielle anvendelser: (i) opløsningsmiddel kan tilsættes til rillerne i stedet for at oversvømme bonding interface, hvilket i høj grad minimerer kontakten mellem opløsningsmidlet og væggene i mikrokanalerne (se figur 5),og (ii) hvis den oprindelige forsøg på limning efterlader nogle områder med dårlig obligation dækning, mere opløsningsmiddel kan tilføjes lokalt til en anden runde af bonding, som ofte forsegler eventuelle resterende kritiske områder omkring microfeatures. Det er værd at bemærke, at rillerne kan føje til fabrikation tid, og da de optager plads på enheden, kan ikke være modtagelige for nogle high-density designs.
En fælles udfordring med limning strategier er tilpasningen af enheden lag under limning. Adskillige strategier er muligt, afhængigt af krav til nøjagtighed. Hvis justering er ikke kritisk (dvs. hvis alle microfeatures er i et enkelt lag, som er bundet til et fladt underliggende substratlag), derefter manuel justering i hånden er tilstrækkelig. For mere krævende tilpasning krav, kan hånd tilpasning stadig være tilstrækkelig, selv om dette afhænger lidt af dygtighed af den enkelte forsker. Vi kan rutinemæssigt opnå tilpasning nøjagtighed inden for 100 um, og kloge beslutningeri enhedens design kan slappe kravene for tilpasning nøjagtighed (dvs. ved at designe tolerancer i microfeatures af enheden, hvis det er muligt, således at mindre forskydninger ikke påvirker enhedens ydeevne). En nyttig teknik til at hjælpe med hånden tilpasningen er at bruge så lidt opløsningsmiddel som muligt at dække limning overflade. For store mængder opløsningsmiddel, plastlagene "flyde" på det tynde lag af væske, og ikke opretholder deres tilpasning, når enheden overføres til kogeplade eller opvarmet presse. Derimod kan et meget tyndt lag af opløsningsmiddel hjælper at "holde" plastlagene sammen og opretholde alignment efter de er justeret manuelt.
Hvis der er mere præcis justering er påkrævet, mulige strategier omfatter L-formede hjørnebeslag at holde enheden lag sammen, tilpasning pins, der går gennem enheden lag, ved hjælp tape på ydersiden af enheden for at sikre lag positioner, eller specialbyggede jigs, som kan holde than enhed under limning trin. Af alle disse strategier, Bemærk, at tilpasningen hardware typisk skal være kortere end den samlede stabelhøjde af indretningen, således at tryk kan påføres på ansigtet af indretningen under binding.
Udfordringen for opløsningsmiddel limning er normalt ikke bredden, men dybden af mikrokanaler fordi lavvandede mikrokanaler kan klappes sammen ved en alt for aggressiv opløsningsmiddel eller ved for høje temperaturer og tryk. For en given dybde, bredere kanaler er mere modtagelige for kollapse end snævre kanaler. Selvom vi ikke har fremstillet kanaler under 50 um i bredden (på grund af begrænsninger i vores CNC fræsemaskine, der begrænser den minimale endefræser diameter vi kan bruge), har vi rutinemæssigt bundet kanaler der er adskilt af afstande i størrelsesordenen 25 um. I form af dybde, har vi også med succes bundet meget lavvandede kanaler (~ 15 um) ved hjælp af denne metode.
Endelig er en sammenligningaf væskefaseopløsningsmiddel binding til andre bindingsteknikker er berettiget. Tre andre fælles bindingsteknikker er dampfase opløsningsmiddel limning, termisk diffusion bonding, og plasma-assisteret termisk diffusion bonding. Vapor opløsningsmiddelfase bonding deler mange af kendetegnene ved væskefaseopløsningsmiddel limning, men er i vores erfaring vanskeligere at udføre og mindre afstemmelig, hvilket fører til mindre ensartede resultater. Påføring opløsningsmiddel i dampfasen kræver enten et vakuumkammer eller en damp kammer med indehaveren en enhed, og vi finder processen er mindre kontrollerbar end at bruge væske. Desuden dampfase teknikker er sjældent medgørlige til anvendelse med opløsningsmiddelblandinger, idet næsten alle blandinger er ikke-azeotrop, og vil således ændre deres sammensætning fra væske til gas fase, afhængigt af omgivelsernes tryk og temperatur.
Termisk diffusion bonding involverer trykke enheden lagene sammen ved forhøjet temperatur nær glasovergangstemperaturen(Tg) af plast. Den høje temperatur øger polymerkæden mobilitet, tillader kæder til interdiffuse tværs af bonding interface og danne en binding. 10 Men da hele indretningen opvarmes til den samme temperatur, kæde mobilitet øges overalt, og microfeatures blive forvrænget og afrundede 9,10. Således stigende vedhæftningsstyrke (på grund af højere limning temperatur) kommer på de direkte omkostninger ved skader på microfeatures. En modifikation af termisk binding er anvendelsen af en præ-bonding oxygen plasma overfladebehandling, hvilket sænker lokale (overflade) Tg af polymeren 20. Denne plasma-assisteret termisk binding muliggør således binding at forekomme ved lavere temperaturer, længere væk fra hovedparten Tg. Mens dette gør reducere mængden af deformation til microfeatures sammenlignet med termisk binding, har vi fundet, at oprindelige dækningsområde binding og styrke er stadig meget lavere sammenlignet med opløsningsmiddel limning, og importantly, obligationerne forringes med efterfølgende timer. Som vist i figur 6, udviste plasma-assisteret termisk bundne enheder signifikant tab af binding dækning over 48 timer i en celle inkubator, mens opløsningsmiddel bundne enheder viste ingen ændringer.
Her beskrev vi en enkel, effektiv protokol, der er afhængig af væske-baserede bonding opløsningsmiddel for at opnå kvalitet obligationer til PMMA og COP mikrofluidenheder. Vores resultater viste, at specifikke trin for PMMA og COP limning vil føre til stærke og optisk klare obligationer med ubetydelig deformation af microfeatures, og at brugen af riller og tilpasning hardware kan omgå almindelige praktiske spørgsmål under proceduren limning opløsningsmiddel. Indarbejde denne metode i produktionsprocessen vil accelerere udviklingen af PMMA og COP-baserede mikrofluidenheder, og gøre det muligt for forskerne til lettere at vedtage termoplast i deres mikrovæskeanordning designs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Vi anerkender finansiel støtte fra naturvidenskab og teknik Forskningsråd of Canada (NSERC, # 436.117-2013), Cancer Research Society (CRS, # 20172), Myelom Canada og Grand Udfordringer Canada.
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. |
References
- 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.
- 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).
