Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige werkwijze voor het vervaardigen thermoplastische microfluïdische inrichtingen met hoogwaardige banden. We beschrijven een protocol sterke, optisch heldere bindingen in PMMA en COP microfluïdische inrichtingen die micro-gegevens bewaren, door een oordeelkundige combinatie van druk, temperatuur, een geschikt oplosmiddel en inrichting geometrie bereiken.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Oplosmiddel Bonding voor de productie van PMMA en COP microfluïdische apparaten
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Thermoplastische microfluïdische apparaten bieden veel voordelen ten opzichte van die gemaakt van siliconen elastomeren, maar bonding procedures moeten worden ontwikkeld voor elke thermoplastische van belang. Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige methode die kan worden gebruikt om inrichtingen te vervaardigen uit verschillende kunststoffen. Een geschikt oplosmiddel is toegevoegd tussen twee lagen apparaat te lijmen en warmte en druk worden toegevoerd aan de inrichting voor de binding vergemakkelijken. Door een geschikte combinatie van oplosmiddelen, kunststof, warmte en druk, kan de inrichting worden afgedicht met een hoge kwaliteit binding, gekenmerkt door hoge bindingssterkte dekking, hechtsterkte, optische helderheid, duurzaamheid in de tijd, en lage vervorming of beschadiging van micro- geometrie. We beschrijven de procedure voor het binden apparaten gemaakt van twee populaire thermoplasten, poly (methyl methacrylaat) (PMMA), en cyclo-olefinepolymeer (COP), alsook een verscheidenheid aan werkwijzen om de kwaliteit van de resulterende banden karakteriseren en strategieën tot trouoplossen van problemen bij lage kwaliteit obligaties. Deze werkwijzen kunnen worden gebruikt om nieuwe verbinding met een oplosmiddel protocollen voor andere kunststoffolie oplosmiddel systemen.
Inleiding
Microfluidics heeft zich in de afgelopen twintig jaar als een technologie zeer geschikt voor het bestuderen van scheikunde en natuurkunde aan de microschaal 1, en met het kweken van belofte om belangrijke bijdrage leveren aan biologisch onderzoek 2-4. De meeste microfluïdische inrichtingen oudsher gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS), een siliconenelastomeer dat gemakkelijk te gebruiken, goedkoop en biedt een hoge kwaliteitskenmerk replicatie 5. Echter, PDMS is goed gedocumenteerde tekortkomingen en onverenigbaar met hoog volume fabricageprocessen 6,7, en als zodanig is er een toenemende trend vervaardigen microfluïdische inrichtingen van thermoplastische materialen, vanwege hun potentieel voor massafabricage en dus commercialisering geweest.
Een van de belangrijkste obstakels voor bredere toepassing van kunststof microfabrication is het bereiken van gemakkelijk, kwalitatief hoogwaardige verlijming van kunststof apparaten. De huidige strategieën hanteren tHermal, lijm en oplosmiddel verbindingstechnieken, maar veel last van belangrijke uitdagingen. Thermische binding verhoogt autofluorescentie 8 en vaak vervormt microkanaal geometrieën 9-11, terwijl kleefstof technieken vereisen stencils, zorgvuldige uitlijning en uiteindelijk laat de dikte van het kleefmiddel blootgesteld aan het microkanaal 10. Solvent bonding is aantrekkelijk door zijn eenvoud, tunability, en lage kosten 10,12 - 14. Met name zijn tunability kan worden geoptimaliseerd voor verschillende kunststoffen, die constante hoge kwaliteit binding die vervorming van microfeatures 14 minimaliseert kunnen opleveren.
Tijdens oplosmiddel bonding blootstelling oplosmiddel vergroot de mobiliteit van polymeerketens nabij het oppervlak van de kunststof, die inter-diffusie rijen in de bonding interface maakt. Dit zorgt ervoor dat verstrengeling via mechanische vergrendeling van de verstrooiende ketens, en resulteert in een aphysical bond 10. Thermische binding werkt op een vergelijkbare manier, maar vertrouwt op verhoogde temperatuur staan om ketenmobiliteit verhogen. Aldus thermische methoden vereisen temperaturen rond of boven de glasovergangstemperatuur van het polymeer, terwijl het gebruik van oplosmiddelen aanzienlijk de temperatuur die nodig is voor binding kunnen verlagen en zodoende verminderen ongewenste vervorming.
Wij bieden een specifiek protocol voor het verlijmen van zowel PMMA en COP-apparaten. Echter, dit protocol en werkwijze beschrijft een eenvoudige, algemene aanpak oplosmiddel binden van thermoplastische microfluïdische inrichtingen die kunnen worden aangepast voor andere kunststoffen, oplosmiddelen en beschikbare apparatuur. We beschrijven tal van methoden voor het beoordelen van de kwaliteit van de obligaties (bijv bond dekking, hechting, obligatie duurzaamheid en vervorming van micro-geometrieën), en zorgen voor het oplossen van problemen benaderingen van deze gemeenschappelijke uitdagingen aan te pakken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Merk op dat alle hieronder beschreven stappen zijn ontwikkeld en uitgevoerd in een niet-cleanroomomgeving. Het oplosmiddel bonding stappen kan zeker worden uitgevoerd in een cleanroom, indien beschikbaar, maar dit is niet vereist.
1. Bereiding van thermoplastische microfluïdische apparaat Lagen
- Ontwerp en fabriceren lagen microfluïdische apparaat uit de thermoplastische keuze, met behulp van een geschikte fabricage methode (bijv micromilling 15, persen 16-18, spuitgieten).
- Voer een visuele inspectie lagen apparaat om ervoor te zorgen dat de randen zijn "schone" (dat wil zeggen, geen bramen of bergkammen van restmateriaal van het fabricageproces). Voor de beste resultaten, controleer alle machinaal micro-feature randen naast de buitenranden van het apparaat onder een optische microscoop.
- Als overgebleven materiaal wordt gevonden tijdens de visuele inspectie, gebruik dan een scheermesje of scalpel om eventuele mat voorzichtig verwijderenerial dat de lagen apparaat voorkomt plat liggen tegen elkaar, zodat de interfaces van de lagen komen in conforme contact.
- Clean apparaat oppervlakken met laboratorium water en zeep en droog met perslucht. Onderdompelen lagen apparaat in 2-propanol gedurende 2 minuten en droog met perslucht.
2. Solvent Bonding
- Bereid verwarmde pers (PMMA) of kookplaat (COP).
- PMMA (gegoten acryl, glas overgangstemperatuur van ~ 100-110 ° C) 18 voorverhitting druk tot 70 ° C, en laat de temperatuur stabiliseren.
- Voor COP (glasovergangstemperatuur van 102 ° C, van de fabrikant) Verwarm kookzone 25 ° C, en laat de temperatuur stabiliseren.
- Bereid oplosmiddel voor bonding proces.
- Voor PMMA, het meten van 0,5 ml ethanol per vierkante inch van bonding gebied.
- Voor COP, voor te bereiden een 65:35 mengsel van 2-propanol en cyclohexaan, witha totaal volume van 0,5 ml van het mengsel per vierkante inch lijmvlak.
LET OP: Voor de COP, gebruiken glazen pipetten en containers, zoals cyclohexaan gemeenschappelijke polypropyleen laboratorium zal oplossen. Voer alle mixen en binding in een zuurkast, cyclohexaan is giftig.
- Doseer 0,1 ml oplosmiddel per vierkante inch van de binding tussen gereinigd plastic lagen en breng de lagen aan elkaar. Visueel te inspecteren op luchtbellen in de bonding interface, die veel voorkomen, en moet zoveel mogelijk worden verwijderd.
Opmerking: Het is gunstig om snel te werken nadat het oplosmiddel is afgegeven, zoals vluchtige oplosmiddelen begint te verdampen (en dus zal oplosmiddelmengsels veranderen samenstelling).- Indien luchtbellen aanwezig zijn, schuift u de twee plastic lagen langs de bonding-interface, zodat ze bijna los te komen (maar blijft in contact), en schuif ze weer bij elkaar.
- Lijn de lagen van het apparaat met de aanpassing pinnen,een aangepaste jig, of gewoon met de hand (zie Overleg sectie voor meer details).
- Bij gebruik van alignment pinnen, lijn de gaten voor de pennen, en steek de pinnen in het apparaat stack.
- Bij gebruik van een aangepaste mal, plaatst u het apparaat stapel in de mal en draai rond het apparaat.
- Als uitlijnen met de hand, vingers gebruikt om de buitenranden van de inrichting uit te lijnen.
- Plaats het apparaat met oplosmiddel in de voorverwarmde pers (PMMA) of op de voorverwarmde kookplaat (COP).
- PMMA, 2300 kPa toepassing van druk gedurende 2 minuten.
- Voor COP Breng 350 kPa druk. Verhoog de temperatuur van 25 ° C tot 70 ° C met een snelheid van 5 ° C / min. Na het bereiken van 70 ° C (na 9 min), binding gedurende nog 15 min.
- Gebruik een pincet om de hete apparaat veilig te verwijderen voor inspectie. Bonding is nu voltooid.
- Verwijder eventuele resterende vloeistof in het apparaat (in microkanalen of andere features).
- Voor PMMA, verwijder alle resterende vloeistof met perslucht. Voor COP, plaats gebonden apparaat kookplaat en bakken bij 45 ° C gedurende 24 uur om eventueel achtergebleven cyclohexaan te verwijderen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Een schema van het algemene oplosmiddel hechtingsprocedure wordt weergegeven in figuur 1. De makkelijkste manier om de kwaliteit obligatie te beoordelen is om visueel te inspecteren bond dekking, omdat een slechte band dekking is goed zichtbaar als regio's van ongebonden plastic, en is een indicatie van zwakke binding. Deze regio's zijn meestal in de buurt van vrije randen (bijv periferie van het apparaat, of in de buurt van open poorten of microkanalen)...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De haalbaarheid van potentiële bonding strategieën hangt af van de beschikbare apparatuur. Terwijl de pits komen relatief vaak voor en losse gewichten kan goedkoop worden gekocht, zal hoge druk strategieën voor het gebruik van een verwarmde pers nodig. Bijvoorbeeld, onze optimale PMMA bonding recept vereist een hoge druk om band met ethanol (zie tabel 1), en de vereiste druk is niet haalbaar voor typische apparaat maten met behulp van vrije gewichten. Zou alleen de een kookplaat en gewichten beschikbaar...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
Wij erkennen de financiële steun van de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada (NSERC, # 436117-2013), de Cancer Research Society (CRS, # 20172), Myeloma Canada, en de Grand Challenges Canada.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt, maar kunnen de hechtingseigenschappen beïnvloeden. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1,5 mm plaatdikte voor onze typische toepassingen. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt, maar kunnen de hechtingseigenschappen beïnvloeden. |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexane, watervrij, 99,5%. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. Toxisch, vereist afzuiging. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absoluut, ≥99,8% (GC). Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Aceton, ACS reagens, ≥99,5%. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, watervrij, 99,5%. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
| Hot plate(s) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Volledig programmeerbare digitale hotplate. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
| Free weights | Cap Barbell | RPG#2 | Standaard gietijzeren plaat. Meerdere leveranciers en verschillende gewichten kunnen worden gebruikt. |
| Heated press | Carver | Auto CH | Auto-serie verwarmde hydraulische pers. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. Een pers die in een afzuigkap past, zou de meeste flexibiliteit bieden (dit model niet). |
| CNC frezenmachine | Tormach | PCNC 770 | 3-assige CNC-freesmachine. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
| Frezen | Various | Various | Vereiste maten zijn afhankelijk van ontwerpen. Meerdere leveranciers kunnen worden gebruikt. |
Referenties
- 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. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
