Il legame con solvente è un metodo semplice e versatile per fabbricare dispositivi microfluidici termoplastici con legami di alta qualità. Descriviamo un protocollo per ottenere legami forti e otticamente chiari nei dispositivi microfluidici in PMMA e COP che preservano i dettagli delle microcaratteristiche, mediante una sapiente combinazione di pressione, temperatura, un solvente appropriato e la geometria del dispositivo.
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Articolo metodologico
Bonding solvente per la fabbricazione di PMMA e COP dispositivi microfluidici
In questo articolo
Sommario
Abstract
dispositivi microfluidici termoplastici offrono molti vantaggi rispetto a quelli a base di elastomeri di silicone, ma le procedure di incollaggio devono essere sviluppate per ogni termoplastico di interesse. bonding solvente è un metodo semplice e versatile che può essere utilizzato per fabbricare dispositivi da una varietà di plastiche. Viene aggiunto un solvente appropriato tra due strati di dispositivo da incollare, e il calore e pressione vengono applicati al dispositivo per facilitare l'incollaggio. Utilizzando una combinazione appropriata di solvente, di plastica, il calore e la pressione, il dispositivo può essere sigillato con un legame di alta qualità, caratterizzato come avere una copertura ad alta legame, forza di adesione, la chiarezza ottica, durata nel tempo, e bassa deformazione o danni microfeature geometria. Descriviamo la procedura per dispositivi incollaggio realizzati due termoplastici popolari, poli (metil-metacrilato) (PMMA), e polimeri ciclo-olefina (COP), così come una varietà di metodi per caratterizzare la qualità delle obbligazioni risultanti, e strategie a troubleshoot obbligazioni di bassa qualità. Questi metodi possono essere usati per sviluppare nuovi protocolli bonding solvente per altri sistemi plastica-solvente.
Introduzione
Microfluidica è emerso nel corso degli ultimi venti anni come la tecnologia adatta per lo studio chimica e fisica alla microscala 1, e con crescente promessa di contribuire in modo significativo alla ricerca di biologia 2-4. La maggior parte dei dispositivi microfluidici stata storicamente fatta da poli (dimetilsilossano) (PDMS), un elastomero siliconico che è facile da usare, poco costoso, e offre alta qualità funzionalità di replica 5. Tuttavia, PDMS ha carenze ben documentato ed è incompatibile con elevati volumi di fabbricazione processi 6,7, e come tale, c'è stata una crescente tendenza fabbricazione di dispositivi microfluidici da materiali termoplastici, a causa del loro potenziale per la produzione di massa e quindi commercializzazione.
Uno dei principali ostacoli alla più ampia adozione di microfabbricazione di plastica sta realizzando facile, incollaggio di alta qualità dei dispositivi di plastica. strategie attuali impiegano tHermal, adesivi, e le tecniche di incollaggio di solventi, ma molti soffrono di sfide significative. Incollaggio termico aumenta autofluorescenza 8 e spesso deforma geometrie microcanali 9 - 11, mentre le tecniche adesive richiedono stencil, allineamento preciso, ed infine lasciato lo spessore dell'adesivo esposto al microcanali 10. Bonding solvente è attraente grazie alla sua semplicità, tunability, e basso costo 10,12 - 14. In particolare, la sua tunability consente ottimizzazione per una varietà di materie plastiche, che possono produrre coerente, bonding alta qualità che riduce al minimo la deformazione di microfeatures 14.
Durante bonding solvente, esposizione solvente aumenta la mobilità delle catene polimeriche vicino alla superficie della plastica, che permette inter-diffusione catene attraverso l'interfaccia bonding. Questo fa sì che entanglement tramite interblocco meccanico delle catene diffusore e si traduce in aplegame hysical 10. incollaggio termico funziona in modo simile, ma si basa sulla temperatura elevata solo aumentare la mobilità della catena. Così, metodi termici richiedono temperature prossime o superiori alla transizione vetrosa del polimero, mentre l'uso di solventi può ridurre significativamente la temperatura necessaria per l'incollaggio, e quindi ridurre la deformazione indesiderata.
Forniamo un protocollo specifico per l'incollaggio sia PMMA e dispositivi COP. Tuttavia, questo protocollo e metodo descrive un approccio semplice, generico per incollaggio con solvente di dispositivi microfluidici termoplastici che può essere adattato per altre materie plastiche, solventi e apparecchiature disponibili. Descriviamo numerosi metodi per la valutazione della qualità delle obbligazioni (ad esempio, la copertura legame, forza di adesione, durata legame, e la deformazione di geometrie microfeature), e di fornire approcci di risoluzione dei problemi per affrontare queste sfide comuni.
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Protocollo
Si noti che tutti i passi descritti di seguito sono stati sviluppati ed eseguito in un ambiente non-camera sterile. I passi bonding solvente può certamente essere eseguite in una camera sterile, se disponibile, ma questo non è necessario.
1. Preparazione di termoplastici microfluidici Livelli dispositivo
- Progettare e fabbricare strati dispositivo microfluidica dalla termoplastico di scelta, utilizzando un metodo di fabbricazione adeguato (per esempio, micromilling 15, goffratura 16 - 18, stampaggio ad iniezione).
- Visivamente strati di dispositivi per assicurare che i bordi sono "puliti" (cioè, senza sbavature o creste di materiale residuo dal processo di fabbricazione). Per ottenere risultati ottimali, controllare tutti micro-includono bordi lavorati oltre ai bordi esterni del dispositivo al microscopio ottico.
- Se il materiale residuo viene rilevato durante l'ispezione visiva, usare una lama di rasoio, o bisturi per rimuovere attentamente qualsiasi tappetinoerial che impedisce gli strati del dispositivo dalla disteso uno contro l'altro in modo che le interfacce degli strati entrano in contatto conformazionale.
- dispositivo di pulire le superfici con sapone di laboratorio e l'acqua e asciugare con aria compressa. Immergere strati dispositivo in 2-propanolo per 2 minuti e asciugare con aria compressa.
2. Bonding solvente
- Preparare pressa riscaldata (per PMMA) o piastra riscaldante (COP).
- Per PMMA (acrilico colato, temperatura di transizione vetrosa ~ 100-110 ° C) 18 preriscaldamento premere a 70 ° C, e consentire temperatura si stabilizzi.
- Per COP (temperatura di transizione vetrosa di 102 ° C, dal produttore), preriscaldare piastra riscaldante a 25 ° C, e consentire temperatura si stabilizzi.
- Preparare solvente per processo di incollaggio.
- Per PMMA, misurare 0,5 ml di etanolo per pollice quadrato di area di incollaggio.
- Per COP, preparare una miscela 65:35 di 2-propanolo e cicloesano, ingegnoha volume totale di 0,5 ml della miscela per pollice quadrato di area di incollaggio.
NOTA: per COP, utilizzare pipette di vetro e contenitori, come cicloesano si dissolverà comune labware polipropilene. Eseguire tutte miscelazione e incollaggio in una cappa aspirante, come cicloesano è tossico.
- Versare 0,1 ml di solvente per pollice quadrato di area legame tra gli strati di plastica puliti e portare insieme gli strati. Visivamente bolle d'aria all'interfaccia di legame, che sono comuni, e dovrebbero essere rimossi il più possibile.
NOTA: E 'utile per lavorare rapidamente una volta che il solvente è stato erogato, come solventi volatili cominceranno ad evaporare (e, di conseguenza, miscele di solventi cambieranno in composizione).- Se le bolle sono presenti, far scorrere i due strati di plastica lungo l'interfaccia di legame in modo che quasi si disfano (ma rimanere in contatto), e quindi far scorrere di nuovo insieme.
- Allineate gli strati del dispositivo con i perni di allineamento,una giga personalizzato, o semplicemente a mano (vedere la sezione di discussione per ulteriori dettagli).
- Se utilizzando perni di allineamento, allineare i fori per i perni, e inserire i perni nello stack dispositivo.
- Se si utilizza una maschera personalizzata, inserire la pila dispositivo nella maschera e stringere intorno al dispositivo.
- Se allineare manualmente, utilizzare le dita per allineare i bordi esterni del dispositivo.
- Posizionare il dispositivo con solvente nella stampa pre-riscaldato (per PMMA) o sulla piastra di pre-riscaldato (COP).
- Per PMMA, applicare 2.300 kPa di pressione per 2 min.
- Per COP, applicare 350 kPa di pressione. Aumentare la temperatura da 25 ° C a 70 ° C ad una velocità di 5 ° C / min. Dopo aver raggiunto i 70 ° C (dopo 9 min), legame per altri 15 min.
- Utilizzare le pinzette per rimuovere in sicurezza il dispositivo caldo per l'ispezione. Bonding è ora completa.
- Rimuovere eventuali residui di liquido nel dispositivo (in microcanali o altri featurES).
- Per PMMA, rimuovere il liquido in eccesso con aria compressa. Per COP, posizionare dispositivo incollato sulla piastra e cuocere in forno a 45 ° C per 24 ore per eliminare ogni residuo di cicloesano.
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Risultati
Uno schema del procedimento generale di incollaggio con solvente è mostrato in Figura 1. Il modo più semplice per valutare la qualità del collegamento è ispezionare visivamente la copertura del collegamento, poiché una scarsa copertura risulta facilmente evidente come aree di plastica non incollata e indica un collegamento debole. Tali aree si trovano tipicamente in prossimità di bordi liberi (ad es., periferia del dispositivo o vicino a porte aperte o microcanal...
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Discussione
La fattibilità di potenziali strategie di incollaggio dipende dalle attrezzature disponibili. Mentre le piastre riscaldanti sono relativamente comuni e i pesi liberi possono essere acquistati a buon mercato, le strategie ad alta pressione richiedono l'uso di una pressa riscaldata. Ad esempio, la nostra ricetta ottimale di incollaggio del PMMA richiede un'alta pressione per legarsi con l'etanolo (vedere la Tabella 1) e la pressione richiesta non è raggiungibile per le dimensioni tipiche dei dispositivi ch...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamenti
Ringraziamo il sostegno finanziario del Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC, #436117-2013), della Cancer Research Society (CRS, #20172), di Myeloma Canada e di Grand Challenges Canada.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg Pellet COP - 1020R. È possibile utilizzare più fornitori, ma possono influire sulle caratteristiche di adesione. |
| Lamiera di PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1,5 mm per le nostre applicazioni tipiche. È possibile utilizzare più fornitori, ma possono influire sulle caratteristiche di adesione. |
| Cicloesano | Sigma-Aldrich | 227048 | Cicloesano, anidro, 99,5%. È possibile utilizzare più fornitori. Tossico, richiede cappa fumaria. |
| Etanolo | Sigma-Aldrich | 24102 | Etanolo, assoluto, ≥ 99,8% (GC). È possibile utilizzare più fornitori. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Acetone, reagente ACS, ≥ 99.5%. È possibile utilizzare più fornitori. |
| 2-propanolo | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-propanolo, anidro, 99,5%. È possibile utilizzare più fornitori. |
| Piastra riscaldanteTorrey | Pines Scientific | HP60 | Piastra riscaldante digitale completamente programmabile. È possibile utilizzare più fornitori. |
| Pesi liberi | Cap Barbell | RPG#2 | Piastra standard in ghisa. È possibile utilizzare più fornitori e pesi diversi. |
| Pressa riscaldata | Carver | Auto CH | Pressa idraulica riscaldata serie Auto. È possibile utilizzare più fornitori. Una pressa che si inserisce in una cappa aspirante consentirebbe la massima flessibilità (questo modello no). |
| Fresatrice CNC | Tormach | PCNC 770 | Fresa CNC a 3 assi. È possibile utilizzare più fornitori. |
| Frese | a candela Varie | Varie | Le dimensioni richieste dipendono dai disegni. È possibile utilizzare più fornitori. |
Riferimenti
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Ristampe e permessi
