הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

מליטה מרככת עבור ייצור של PMMA ו COP מכשירי microfluidic

16.7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/55175

⸱

17 בינואר 2017

 ,  , 
1Department of Mechanical & Industrial Engineering, University of Toronto, 2Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering (IBBME), University of Toronto

במאמר זה

סיכום

מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית עבור בודת מכשירי microfluidic תרמופלסטיים עם אג"ח באיכות גבוהה. אנו מתארים פרוטוקול להשיג חזק, אג"ח ברור אופטי ב PMMA והתקני microfluidic COP המשמרים פרטי microfeature, על ידי שילוב מושכל של לחץ, טמפרטורה, ממס מתאים, וגיאומטריה מכשירה.

תקציר

מכשירי microfluidic תרמופלסטיים מציעים יתרונות רבים על פני אלה עשויים אלסטומרים סיליקון, אך הליכים מליטים יש לפתח עבור כל תרמופלסטיים עניין. מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית שיכול לשמש כדי לפברק מכשירים ממגוון פלסטיק. ממס מתאים מתווסף בין שתי שכבות המכשיר להיות מלוכד, ואת החום ולחץ מוחלים על המכשיר כדי להקל על המליטה. באמצעות שילוב מתאים של ממס, פלסטיק, חום, לחץ, המכשיר יכול להיות אטום עם קשר באיכות גבוהה, מאופיין כבעל כיסוי אג"ח גבוה, חוזק קשר, בהירות אופטית, עמידות לאורך זמן, ועיוות נמוכה או ניזק microfeature גֵאוֹמֶטרִיָה. אנו מתארים את הליך התקנים מליטים עשויים משני תרמופלסטיים פופולריים, פולי (מתיל-methacrylate) (PMMA), ופולימר אולפינים-סקל (COP), כמו גם מגוון רחב של שיטות כדי לאפיין את איכות האג"ח וכתוצאה מכך, ואסטרטגיות כדי Troubleshoot אג"ח באיכות נמוכה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לפתח פרוטוקולים מליטים ממס חדשים למערכות פלסטיק ממסים אחרות.

מבוא

מיקרופלואידיקה התפתחה בעשרים השנים האחרונות כטכנולוגיה גם מתאים ללמוד כימיה ופיזיקה בבית microscale 1, ועם הבטחה הגוברת לתרום משמעותית למחקר בביולוגיה 2 - 4. רוב תקני microfluidic היסטורי נעשה מתוך פולי (dimethylsiloxane) (PDMS), אלסטומר סיליקון כי הוא קל לשימוש, זול, ומציע שכפול תכונה באיכות גבוהה 5. עם זאת, PDMS יש מתועד היטב ליקויים אינה עולה בקנה אחד עם ייצור בנפח גבוה תהליכים 6,7, וככזה, חלה מגמה הולכת וגוברת של בודה מכשירים microfluidic מחומרים תרמופלסטיים, בשל הפוטנציאל שלהם לייצור המוני ובכך מסחור.

אחד המחסומים העיקריים לאימוץ של microfabrication פלסטיק רחב יותר כבר השיג מליט איכות קלה, גבוהה של מכשירי פלסטיק. אסטרטגיות נוכחיות להעסיק thermal, דבק, וטכניקות מליטה ממסות, אך רב סובלים אתגרים משמעותיים. מליטה תרמית מגדיל autofluorescence 8 ולעתים קרובות ומעווה גיאומטריות microchannel 9 - 11, בעוד טכניקות דבקות דורשות שבלונות, יישור זהיר, ובסופו של דבר לעזוב את העובי של הדבקה החשופה אל microchannel 10. מליטה מרכך אטרקטיבית בשל הפשטות שלה, tunability, ועלות נמוכה 10,12 - 14. בפרט, tunability שלה מאפשר אופטימיזציה עבור מגוון רחב של פלסטיק, אשר יכול להניב עקבי, מליט באיכות גבוהה ממזער עיוות של microfeatures 14.

במהלך מליטה ממסה, וחשיפה לחומריים מגבירה את הניידות של שרשרות פולימר קרוב לפני השטח של הפלסטיק, המאפשר דיפוזיה יתר של רשתות על פני הממשק המליט. זה גורם הסתבכות באמצעות שלובים מכאניים של השרשרות לשדר, ואת תוצאת ap10 האג"ח hysical. מליטת תרמי עובדת בצורה דומה, אך מסתמכת על טמפרטורה גבוהה לבד להגדיל ניידות שרשרת. לפיכך, שיטות תרמיות דורשות טמפרטורות ליד או מעל מעבר הזכוכית של הפולימר, ואילו השימוש בממסים יכול להפחית באופן משמעותי את הטמפרטורה דרושה מליט, ובכך להפחית עיוות בלתי רצויה.

אנו מספקים פרוטוקול ספציפי עבור מליטה היא PMMA והתקני COP. עם זאת, פרוטוקול זה ושיטה מתארים גישה פשוטה, גנרי מליט ממס של מכשירי microfluidic תרמופלסטיים כי ניתן להתאים חומרים פלסטיים אחרים, ממסים, וציוד זמין. אנו מתארים שיטות רבות להערכת האיכות של אג"ח (למשל, כיסוי אג"ח, חוזק קשר, עמידות אג"ח, דפורמציה של גיאומטריות microfeature), ולספק גישות לפתרון בעיות כדי לטפל באתגרים אלה נפוצים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

שים לב כי כל הצעדים המתוארים להלן פותחו וביצע בסביבה לא-חדר נקי. השלבים המליטים הממס יכולים בהחלט להתבצע cleanroom, אם הוא זמין, אך הדבר אינו הכרחי.

1. הכנת שכבות המכשיר microfluidic תרמופלסטיים

  1. עיצוב לפברק שכבות מכשיר microfluidic מן תרמופלסטיים של בחירה, באמצעות שיטת ייצור מתאימה (למשל, micromilling 15, בלטות 16 - 18, הזרקה).
  2. ראייה לבדוק שכבות המכשיר על מנת להבטיח כי קצוות הם "נקיים" (כלומר, לא קוצים או רכסים של חומר שאריות מתהליך הייצור). לקבלת התוצאות הטובות ביותר, לבדוק את כל הקצוות מיקרו-תכונה במכונה בנוסף בקצוות החיצוניים של המכשיר תחת מיקרוסקופ אופטי.
  3. אם חומר שאריות נמצא במהלך בדיקה חזותית, השתמש סכין גילוח, או אזמל כדי להסיר כל מחצלת בזהירותerial שמונעת שכבות המכשיר לנוח שטוחה נגד אחד אחר כך הממשקים של שכבות באים במגע קונפורמי.
  4. מכשיר לניקוי משטחים עם סבון מעבדה ומים ויבש עם אוויר דחוס. לצלול שכבות מכשיר 2-propanol למשך 2 דקות ויבשות עם אוויר דחוס.

2. Bonding מרכך

  1. כן עיתונות מחוממת (עבור PMMA) או פלטה חשמלית (עבור COP).
    1. לקבלת PMMA (אקריליק היצוק, טמפרטורת מעבר כוס ~ 100-110 מעלות צלזיוס) 18 עיתונאים מחממים עד 70 מעלות צלזיוס, ולאפשר טמפרטורה לייצב.
    2. עבור COP (טמפרטורת המעבר זכוכית של 102 מעלות צלזיוס, מיצרן), מחממים פלטה חשמלית ל -25 מעלות צלזיוס, ולאפשר הטמפרטורה לייצב.
  2. כן ממס עבור תהליך מליט.
    1. לקבלת PMMA, למדוד 0.5 מ"ל של אתנול לאינץ 'מרובע של שטח מליטה.
    2. עבור COP, להכין תערובת 65:35 של 2-propanol ו cyclohexane, שנינותחה נפח כולל של 0.5 מיליליטר של התערובת לאינץ 'מרובע של שטח מליט.
      הערה: לקבלת COP, משתמשת זכוכית טפטפות ומכולות, כמו cyclohexane תתמוסס מעבדתי פוליפרופילן משותפת. בצע את כל הערבוב המליט במנדף, כמו cyclohexane הוא רעיל.
  3. לוותר 0.1 מיליליטר של ממס לאינץ 'מרובע של שטח מליט בין שכבות פלסטיק לנקות ולהביא את השכבות יחד. ראייה לבדוק בועות אוויר על הממשק המליט, אשר נפוצות, ויש להסירם ככל האפשר.
    הערה: זה מועיל לעבוד במהירות ברגע הממס כבר לוותר, כמו ממסים נדיפים יתחילו להתאדות (ומכאן, תערובות ממסות תשתנינה רכב).
    1. אם בועות נוכחות, והחלק את שתי שכבות פלסטיק לאורך הממשק המליט כך שהם כמעט מתפרקים (אבל לשמור על קשר), ולאחר מכן להחליק אותם שוב ביחד.
  4. יישר את השכבות של המכשיר עם סיכות יישור,לנענע מותאם אישית, או פשוט על ידי יד (ראה סעיף דיון לפרטים נוספים).
    1. אם באמצעות סיכות יישור, יישר את החורים של הפינים, והכנס את הסיכות לתוך הערימה המכשירה.
    2. אם אתה משתמש לנענע מותאם אישית, הכנס את מחסנית המכשיר לתוך לנענע והדק סביב המכשיר.
    3. אם יישור ביד, להשתמש באצבעות כדי ליישר את הקצוות החיצוניים של המכשיר.
  5. מניחים את המכשיר עם הממס לתוך העיתונות מחומם מראש (עבור PMMA) או על פלטה חשמלית מחומם מראש (עבור COP).
    1. לקבלת PMMA, להחיל 2,300 kPa בלחץ למשך 2 דקות.
    2. עבור COP, להחיל 350 kPa בלחץ. העלו את הטמפרטורה מ -25 ° C עד 70 ° C בשיעור של 5 ° C / min. לאחר שהגיע 70 ° C (לאחר 9 דקות), ואג"ח בהיקף של 15 דקות נוספות.
  6. להשתמש בפינצטה כדי להסיר את ההתקן החם בבטחה לבדיקה. Bonding הושלמה.
  7. הסר את כל הנוזל הנותר במכשיר (ב microchannels או featur אחריםes).
    1. לקבלת PMMA, להסיר כל נוזל הנותר עם אוויר דחוס. עבור COP, במקום התקן מלוכדות על פלטה חמה ואופים בחום של 45 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי להסיר כל cyclohexane הנותרים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

סכמטי של ההליך המליט הממס הכללי מוצג באיור 1. הדרך הקלה ביותר כדי להעריך את איכות קשר היא לבדוק כיסוי אג"ח חזותי, מאז כיסוי אג"ח העני גלוי בקלות כאזורים של פלסטיק לא מחובר, והוא מעיד על מליטה חלשה. אזורים כאלה הם בדרך כלל בקצוות חינם ליד (למשל, בפריפריה של מכשיר, או ליד יציאות פתוחות או microchannels), וגם לעתים קרובות יכולים להופיע סביב כל חלקיקי אבק או לכלוך על הממשק המליט. כיסוי אג"ח מסכן בשל מליטה חלשה ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

היתכנותו של אסטרטגיות מליטה הפוטנציאל תלוי הציוד זמין. בעוד כיריים הן תופעה שכיחות יחסית ומשקולת ניתן לרכוש בזול, אסטרטגיות בלחץ גבוה תחייבנה את השימוש של עיתונות מחוממת. לדוגמא, מתכון מליטת PMMA האופטימלי שלנו דורש בלחץ גבוה כדי להתחבר עם אתנול (ראה טבלה 1), ואת הלחץ הנדרש אינו בר השגה עבור גדלי מכשיר טיפוסיים באמצעות משקולות חופשיות. לכן, אם רק פלטה חשמלית ומשקלות זמינים, PMMA יכול להיות קשור במקום עם ממס שונה (75% אצטון במים). בנוסף, שימוש בממיסים הדורשים במנדף...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

תודות

אנו מכירים תמיכה כספית מן למדעי הטבע וההנדסה מועצת המחקר של קנדה (NSERC, # 436,117-2013), האגודה לחקר הסרטן (CRS, # 20,172), מיאלומה קנדה, וגראנד אתגרים קנדה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
COPZeonor604Z1020R080כדורי COP 20 ק"ג - 1020R. ניתן להשתמש במספר ספקים, אך עשויים להשפיע על מאפייני ההדבקה.
PMMAMcMaster Carr8560K173עובי גיליון 1.5 מ"מ עבור היישומים האופייניים שלנו. ניתן להשתמש במספר ספקים, אך עשויים להשפיע על מאפייני ההדבקה.
ציקלוהקסאןסיגמא-אולדריץ'227048ציקלוהקסאן, נטול מים, 99.5%. ניתן להשתמש במספר ספקים. רעיל, דורש אדים.
אתנולסיגמא-אולדריץ'24102אתנול, מוחלט, ≥ 99.8% (GC). ניתן להשתמש במספר ספקים.
אצטוןסיגמא-אולדריץ'179124אצטון, מגיב ACS ו-ge; 99.5%. ניתן להשתמש במספר ספקים.
2-פרופנולסיגמא-אולדריץ'278475-2-פרופנול, נטול מים, 99.5%. ניתן להשתמש במספר ספקים.
פלטות חמותטורי פיינס סיינטיפיקHP60פלטה דיגיטלית הניתנת לתכנות מלא. ניתן להשתמש במספר ספקים.
משקולות חופשיותכובע משקולתRPG # 2צלחת ברזל יצוק סטנדרטית. ניתן להשתמש במספר ספקים ובמשקלים שונים.
מכבש מחומםCarverAuto CHAuto מכבש הידראולי מחומם. ניתן להשתמש במספר ספקים. מכבש שמתאים למכסה אדים יאפשר את הגמישות הרבה ביותר (דגם זה לא).
מכונת כרסום CNCTormachPCNC 770טחנת CNC 3 צירים. ניתן להשתמש במספר ספקים.
טחנות קצהשונותגדלים נדרשים שונים תלויים בעיצובים. ניתן להשתמש במספר ספקים.

מקורות

  1. 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).
  2. Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
  3. 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).
  4. Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מיקרופלואידיקת PMMAחיבור תרמופלסטיייצור התקני מיקרופלואידיקהאפיון איכות החיבוריישום ממס אתנולחיבור במכבש מחומםבדיקה במיקרוסקופיה אופטיתייבוש באוויר דחוס
מליטה מרככת עבור ייצור של PMMA ו COP מכשירי microfluidic
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.