Solvent bonding to prosta i wszechstronna metoda wytwarzania termoplastycznych urządzeń mikroprzepływowych o wysokiej jakości wiązaniach. Opisujemy protokół uzyskiwania silnych, optycznie czystych wiązań w urządzeniach mikroprzepływowych PMMA i COP, które zachowują szczegóły mikrofunkcji, poprzez rozsądne połączenie ciśnienia, temperatury, odpowiedniego rozpuszczalnika i geometrii urządzenia.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Klejenie rozpuszczalnikowe do produkcji urządzeń mikroprzepływowych z PMMA i COP
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Termoplastyczne urządzenia mikroprzepływowe oferują wiele zalet w porównaniu z tymi wykonanymi z elastomerów silikonowych, ale procedury łączenia muszą być opracowane dla każdego interesującego nas tworzywa termoplastycznego. Klejenie rozpuszczalnikowe to prosta i wszechstronna metoda, którą można wykorzystać do wytwarzania urządzeń z różnych tworzyw sztucznych. Odpowiedni rozpuszczalnik jest dodawany między dwiema warstwami urządzenia, które mają być połączone, a do urządzenia przykładane jest ciepło i ciśnienie, aby ułatwić wiązanie. Dzięki zastosowaniu odpowiedniej kombinacji rozpuszczalnika, tworzywa sztucznego, ciepła i ciśnienia, urządzenie można uszczelnić wysokiej jakości spoiwem, charakteryzującym się wysokim pokryciem wiązaniem, siłą wiązania, przejrzystością optyczną, trwałością w czasie oraz niskimi odkształceniami lub uszkodzeniami geometrii mikroelementów. Opisujemy procedurę łączenia urządzeń wykonanych z dwóch popularnych tworzyw termoplastycznych, poli(metakrylanu metylu) (PMMA) i polimeru cykloolefinowego (COP), a także różne metody charakteryzowania jakości powstałych wiązań oraz strategie rozwiązywania problemów z wiązaniami o niskiej jakości. Metody te mogą być wykorzystane do opracowania nowych protokołów łączenia rozpuszczalników dla innych systemów rozpuszczalników z tworzyw sztucznych.
Wprowadzenie
Mikrofluidyka pojawiła się w ciągu ostatnich dwudziestu lat jako technologia dobrze nadająca się do studiowania chemii i fizyki w mikroskali1, z rosnącym potencjałem, aby znacząco przyczynić się do badań biologicznych 2-4. Większość urządzeń mikroprzepływowych była historycznie wykonana z poli(dimetylosiloksanu) (PDMS), elastomeru silikonowego, który jest łatwy w użyciu, niedrogi i oferuje wysoką jakość replikacji cech5. Jednak PDMS ma dobrze udokumentowane niedociągnięcia i jest niekompatybilny z procesami wytwarzania na dużą skalę6,7, w związku z czym obserwuje się rosnącą tendencję do wytwarzania urządzeń mikroprzepływowych z materiałów termoplastycznych, ze względu na ich potencjał do masowej produkcji, a tym samym komercjalizacji.
Jedną z głównych przeszkód dla szerszego zastosowania mikroprodukcji tworzyw sztucznych było osiągnięcie łatwego, wysokiej jakości łączenia urządzeń z tworzyw sztucznych. Obecne strategie wykorzystują techniki klejenia termicznego, adhezyjnego i rozpuszczalnikowego, ale wiele z nich boryka się z poważnymi wyzwaniami. Klejenie termiczne zwiększa autofluorescencję8 i często deformuje geometrie mikrokanalików 9-11, podczas gdy techniki klejenia wymagają szablonów, starannego wyrównania i ostatecznie pozostawienia grubości kleju wystawionej na działanie mikrokanału10. Klejenie rozpuszczalnikowe jest atrakcyjne ze względu na swoją prostotę, możliwość przestrajania i niski koszt10,12-14. W szczególności możliwość przestrajania umożliwia optymalizację dla różnych tworzyw sztucznych, co pozwala na uzyskanie spójnego, wysokiej jakości wiązania, które minimalizuje deformację mikroelementów14.
Podczas wiązania rozpuszczalnikiem, ekspozycja na rozpuszczalnik zwiększa mobilność łańcuchów polimerowych w pobliżu powierzchni plastiku, co umożliwia dyfuzję łańcuchów na granicy łączenia. Powoduje to splątanie poprzez mechaniczne zazębianie się łańcuchów dyfuzyjnych i powoduje fizyczne wiązanie10. Klejenie termiczne działa w podobny sposób, ale opiera się wyłącznie na podwyższonej temperaturze w celu zwiększenia ruchomości łańcucha. W związku z tym metody termiczne wymagają temperatur zbliżonych lub wyższych od zeszklenia polimeru, podczas gdy zastosowanie rozpuszczalników może znacznie obniżyć temperaturę potrzebną do klejenia, a tym samym zmniejszyć niepożądane odkształcenia.
Udostępniamy specjalny protokół do łączenia zarówno urządzeń PMMA, jak i COP. Jednak ten protokół i metoda opisuje proste, ogólne podejście do łączenia rozpuszczalnikowego termoplastycznych urządzeń mikroprzepływowych, które można dostosować do innych materiałów z tworzyw sztucznych, rozpuszczalników i dostępnego sprzętu. Opisujemy liczne metody oceny jakości wiązań (np. pokrycie wiązania, wytrzymałość wiązania, trwałość wiązania i deformację geometrii mikroelementów) oraz przedstawiamy podejścia do rozwiązywania problemów, aby sprostać tym typowym wyzwaniom.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Zauważ, że wszystkie opisane poniżej kroki zostały opracowane i wykonane w środowisku bez pomieszczeń czystych. Etapy klejenia rozpuszczalnikiem można z pewnością wykonać w pomieszczeniu czystym, jeśli jest to możliwe, ale nie jest to wymagane.
1. Przygotowanie warstw termoplastycznych urządzeń mikroprzepływowych
- Zaprojektuj i wyprodukuj warstwy urządzenia mikroprzepływowego z wybranego tworzywa termoplastycznego, stosując odpowiednią metodę wytwarzania (np. mikrofrezowanie15, tłoczenie16-18, formowanie wtryskowe).
- Sprawdź wzrokowo warstwy urządzenia, aby upewnić się, że krawędzie są "czyste" (tj. nie ma zadziorów ani grzbietów materiału pozostałego po procesie wytwarzania). Aby uzyskać najlepsze wyniki, sprawdź wszystkie obrobione krawędzie mikroelementów oprócz zewnętrznych krawędzi urządzenia pod mikroskopem optycznym.
- Jeśli podczas oględzin zostaną znalezione resztki materiału, użyj żyletki lub skalpela, aby ostrożnie usunąć wszelki materiał, który uniemożliwia płaskie przyleganie warstw do siebie, tak aby interfejsy warstw stykały się ze sobą.
- Powierzchnie urządzenia należy oczyścić wodą z mydłem laboratoryjnym i osuszyć sprężonym powietrzem. Zanurz warstwy urządzenia w 2-propanolu na 2 minuty i wysusz sprężonym powietrzem.
2. Klejenie rozpuszczalnikiem
- Przygotuj rozgrzaną prasę (dla PMMA) lub płytę grzejną (dla COP).
- W przypadku PMMA (odlewanego akrylu, temperatura zeszklenia ~100-110 °C)18 rozgrzej wstępnie do 70 °C i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje.
- W przypadku COP (temperatura zeszklenia 102 °C, od producenta) rozgrzej płytę grzejną do 25 °C i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje.
- Przygotuj rozpuszczalnik do procesu klejenia.
- W przypadku PMMA odmierz 0.5 ml etanolu na cal kwadratowy obszaru łączenia.
- W przypadku COP należy przygotować mieszaninę 2-propanolu i cykloheksanu w proporcji 65:35 o łącznej objętości 0,5 ml mieszaniny na cal kwadratowy powierzchni wiązania.
UWAGA: W przypadku COP należy używać szklanych pipet i pojemników, ponieważ cykloheksan rozpuści zwykłe polipropylenowe naczynia laboratoryjne. Całe mieszanie i wiązanie należy wykonać w dygestoriach, ponieważ cykloheksan jest toksyczny.
- Dozować 0,1 ml rozpuszczalnika na cal kwadratowy powierzchni łączącej między oczyszczonymi warstwami tworzywa sztucznego i połączyć warstwy. Sprawdź wzrokowo, czy na styku nie ma pęcherzyków powietrza, które są powszechne i powinny być usuwane w jak największym stopniu.
UWAGA: Korzystne jest szybkie działanie po dozowaniu rozpuszczalnika, ponieważ lotne rozpuszczalniki zaczną parować (a co za tym idzie, mieszaniny rozpuszczalników zmienią swój skład).- Jeśli obecne są bąbelki, przesuń dwie plastikowe warstwy wzdłuż interfejsu łączącego, tak aby prawie się rozpadły (ale pozostały w kontakcie), a następnie wsuń je z powrotem razem.
- Wyrównaj warstwy urządzenia za pomocą kołków wyrównujących, niestandardowego przyrządu lub po prostu ręcznie (więcej informacji można znaleźć w sekcji Dyskusja).
- Jeśli używasz kołków wyrównujących, wyrównaj otwory na kołki i włóż kołki do stosu urządzeń.
- Jeśli używasz niestandardowego przyrządu, włóż stos urządzeń do przyrządu i dokręć wokół urządzenia.
- W przypadku wyrównywania ręcznego użyj palców, aby wyrównać zewnętrzne krawędzie urządzenia.
- Umieść urządzenie z rozpuszczalnikiem w nagrzanej prasie (dla PMMA) lub na podgrzanej płycie grzejnej (dla COP).
- W przypadku PMMA należy stosować ciśnienie 2 300 kPa przez 2 min.
- W przypadku COP należy zastosować ciśnienie 350 kPa. Zwiększyć temperaturę z 25 °C do 70 °C z prędkością 5 °C/min. Po osiągnięciu temperatury 70 °C (po 9 minutach) związać przez dodatkowe 15 minut.
- Użyj pęsety, aby bezpiecznie wyjąć gorące urządzenie do kontroli. Wiązanie zostało zakończone.
- Usuń pozostały płyn z urządzenia (w mikrokanałach lub innych funkcjach).
- W przypadku PMMA usuń pozostałą ciecz za pomocą sprężonego powietrza. W przypadku COP umieść połączone urządzenie na płycie grzejnej i piecz w temperaturze 45 °C przez 24 godziny, aby usunąć pozostały cykloheksan.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Schemat ogólnej procedury łączenia rozpuszczalnikiem przedstawiono na Rysunku 1. Najprostszym sposobem oceny jakości połączenia jest wizualna inspekcja stopnia pokrycia wiązaniem, ponieważ niewystarczające pokrycie jest łatwo dostrzegalne jako obszary niepołączonego tworzywa, co wskazuje na słabe wiązanie. Takie obszary występują zazwyczaj w pobliżu wolnych krawędzi (np. na obwodzie urządzenia lub w pobliżu otwartych portów lub mikrokanałów), a często mogą pojawi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Wykonalność potencjalnych strategii łączenia zależy od dostępnego sprzętu. Podczas gdy płyty grzejne są stosunkowo powszechne, a wolne ciężary można kupić niedrogo, strategie wysokociśnieniowe będą wymagały użycia podgrzanej prasy. Na przykład nasza optymalna receptura klejenia PMMA wymaga wysokiego ciśnienia do wiązania z etanolem (patrz Tabela 1), a wymagane ciśnienie nie jest osiągalne dla typowych rozmiarów urządzeń wykorzystujących wolne ciężary. Tak więc, jeśli dostępna jest tylko płyta grzejna i o...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Podziękowania
Dziękujemy za wsparcie finansowe od Kanadyjskiej Rady ds. Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC, #436117-2013), Towarzystwa Badań nad Rakiem (CRS, #20172), Myeloma Canada i Grand Challenges Canada.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg Granulat COP - 1020R. Można użyć wielu dostawców, ale może to wpłynąć na charakterystykę wiązania. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | Grubość blachy 1,5 mm do naszych typowych zastosowań. Można korzystać z wielu dostawców, ale może to mieć wpływ na charakterystykę wiązania. |
| Cykloheksan | Sigma-Aldrich | 227048 | Cykloheksan, bezwodny, 99,5%. Można korzystać z wielu dostawców. Toksyczny, wymaga oparów. |
| Etanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Etanol, absolutny, ≥ 99,8% (GC). Można korzystać z wielu dostawców. |
| Aceton | Sigma-Aldrich | 179124 | Aceton, odczynnik ACS, ≥ 99.5%. Można korzystać z wielu dostawców. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, bezwodny, 99,5%. Można korzystać z wielu dostawców. |
| Płyta grzejna(y) | Torrey Pines Scientific | HP60 | W pełni programowalna cyfrowa płyta grzewcza. Można korzystać z wielu dostawców. |
| Wolne ciężary | Cap Barbell | RPG#2 | Standardowa płyta żeliwna. Można stosować wielu dostawców i różne wagi. |
| Prasa podgrzewana | Carver | Auto CH | Podgrzewana prasa hydrauliczna serii Auto. Można korzystać z wielu dostawców. Prasa, która mieści się w dymie, pozwoliłaby na największą elastyczność (ten model tego nie robi). |
| Frezarka CNC | Tormach | PCNC 770 | 3-osiowa frezarka CNC. Można korzystać z wielu dostawców. |
| Frezy walcowo-czołowe | Różne | wymagane rozmiary zależą od projektów. Można korzystać z wielu dostawców. |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
