Wysokowydajne, mikroprzepływowe, szybkie i tanie metody prototypowania
December 23rd, 2013
W tym artykule opisujemy różne techniki dla platform szybkiego prototypowania mikroprzepływów. Proponowane techniki opierają się na epoksydach wrażliwych na promieniowanie ultrafioletowe (UV) i utwardzanych temperaturowo, rurkach na bazie polidimetylosiloksanu (PDMS), łączeniu drutem i anizotropowych foliach adhezyjnych. Przedstawione procedury montażu zostały opracowane zarówno dla urządzeń jednorazowego użytku, jak i systemów mikroprzepływowych wielokrotnego użytku.
Ogólnym celem tej procedury jest przedstawienie różnych opcji dla platform szybkiego prototypowania mikroprzepływowego. Osiąga się to poprzez najpierw wyprodukowanie wymiennego interkonektora za pomocą PDMS. Drugim krokiem jest zamocowanie mikrorurek w interkonektorze lub bezpośrednio do chipa mikroprzepływowego.
Następnie chipy mikroprzepływowe są montowane i podłączane do interfejsu elektrycznego. Ostatecznie płyn przepływa przez łącznik i do układu mikroprzepływowego z różnymi prędkościami. Aby ocenić wytrzymałość interkonektora PDMS, po raz pierwszy wpadłem na pomysł tej metody podczas projektowania układu mikroprzepływowego o wysokim poborze mocy wyjściowej i potrzebowałem łatwo demontowalnego interkonektora, aby przetestować różne wzorce propagacji pola elektrycznego kanału ENC z dużą liczbą elektrod kanału ENC.
Aby rozpocząć, przygotuj PDMS od zmieszania PDMS i utwardzacza w stosunku 10 do jednego, a następnie odgazuj mieszaninę, umieszczając ją w niskiej próżni na 60 minut. Następnie rozgrzej piekarnik i rozgrzej go do 80 stopni Celsjusza i poczekaj, aż temperatura się ustabilizuje, podczas gdy piekarnik się nagrzeje. Oczyść powierzchnię chipa mikroprzepływowego, w którym zostanie umieszczony interkonektor PDMS, za pomocą etanolu.
Pozostaw do wyschnięcia w miejscu wolnym od kurzu. Przenieś naczynie PDMS do nagrzanego piekarnika i pozwól PDMS lekko polimeryzować w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez 12 do 15 minut, umieść chip mikroprzepływowy, do którego zostanie wykonane połączenie, w piekarniku z warstwą PDMS tak, aby po 15 minutach osiągnął tę samą temperaturę. Wyjmij PDMS i chip mikroprzepływowy z pieca do utwardzania.
Następnie użyj żyletki, aby wyciąć kawałek PDMS o wymiarach pięć na pięć milimetrów. Następnie przebij dwa dwumilimetrowe otwory przez warstwę PDMS. Usuń PDMS z szalek Petriego i umieść go na chipie mikroprzepływowym.
Zwróć uwagę, aby dokładnie wyrównać otwory, a następnie delikatnie wciśnij PDMS na miejsce. Po założeniu interkonektora przytnij rurki teflonowe o średnicy dwóch milimetrów i średnicy wewnętrznej 100 mikronów, używając nowego ostrza, tak aby krawędź mikrorurki została przecięta prostopadle do jej długości. Rurka powinna być wystarczająco długa, aby można ją było podłączyć do pompy strzykawkowej bez wywierania naprężeń na łącznik.
Używając mikropozycjonera Włóż rurki przez warstwę łącznika PDMS, jeśli to konieczne, dodaj żywicę epoksydową między rurkę a PDMS, aby uzyskać lepszą przyczepność. Następnie podłącz drugi koniec rurek do układu wtrysku cieczy. Jako alternatywę dla interkonektorów opartych na PDMS, żywica epoksydowa może być stosowana do trwałego mocowania mikrorurek na miejscu.
Aby to osiągnąć, użyj mikropozycjonera, aby ostrożnie umieścić mikrorurkę w otworze dostępowym chipa mikroprzepływowego. Następnie nałóż utwardzalną promieniami UV lub standardową żywicę epoksydową wokół otworów dostępowych i utwardź ją zgodnie ze specyfikacją producenta. Aby rozpocząć, wielopinowe złącza elektryczne do montażu powierzchniowego na płytce drukowanej.
Następnie sprawdź elektroklocki układu mikroprzepływowego i oczyść wszelkie zanieczyszczenia powierzchniowe, wystawiając tlen plazmowy na około 10 minut z mniej lub bardziej krótkim czasem, w zależności od wymaganej ilości czyszczenia. Jeśli nie zostanie znalezione żadne zanieczyszczenie powierzchni, po prostu wyczyść klocki etanolem. Następnie za pomocą ostrego ostrza pokrój taśmę przewodzącą na małe kawałki o wymiarach dwa na dwa milimetry na jeden milimetr, tak aby miały takie same wymiary jak chipy mikroprzepływowe.
Klocki elektryczne. Następnie użyj czystych kleszczy, aby umieścić taśmę przewodzącą na płytce drukowanej nad podkładkami elektrycznymi. Dopasuj chip mikroprzepływowy do łącznika międzysystemowego znajdującego się już nad płytką drukowaną.
Za pomocą maszyny do wyrównywania umieść warstwę izolacyjną, taką jak papier, na płytce drukowanej, aby uniknąć zwarć, a następnie przymocuj metalowy wspornik za pomocą maszynowych i nakrętek z kompletnym zespołem. Rozpocznij testowanie poszczególnych konfiguracji, przepuszczając dejonizowaną wodę przez pompę strzykawkową. Powoli zwiększaj prędkość pompy, aż system zacznie przeciekać, w którym to momencie zostanie osiągnięte maksymalne ciśnienie.
Po eksperymencie usuń maszynowe, nakrętki i metalowe wsporniki. Następnie delikatnie oddziel chip mikroprzepływowy i płytkę drukowaną. Na koniec użyj etanolu, aby usunąć klej z taśmy przewodzącej z podkładek elektrycznych na płytce drukowanej i chipie mikroprzepływowym przed ponownym montażem.
W przedstawionej tutaj tabeli porównano trzy różne techniki mocowania rur interkonektorowych. Interkonektor PDMS jest sugerowany do stosowania w zastosowaniach niskociśnieniowych, gdy konstrukcja mikroprzepływowa musi zostać odkryta i wymaga szybkiego prototypowania. Żywica epoksydowa standardowa i UV zapewniają silne połączenie i mogą być używane zarówno do zastosowań niskociśnieniowych, jak i wysokociśnieniowych, ale tworzą trwałe uszczelnienie z urządzeniem, co może być niepożądane.
Połączenia międzysystemowe PDMS są pokazane tutaj w porównaniu z niektórymi bardziej popularnymi konfiguracjami połączeń międzysystemowych. Interkonektor PDMS o grubości jednego milimetra może wytrzymać trzykrotnie większe ciśnienie niż interkonektor o grubości 0,45 milimetra. Odnosi się to do pięciokrotnie większego natężenia przepływu dla interkonektora o grubości jednego milimetra w porównaniu z interkonektorem o grubości 0,45 milimetra Po opanowaniu tej techniki można wykonać w ciągu 10 do 20 minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia różne techniki dla platform mikrofluidycznego szybkiego prototypowania, koncentrując się na użyciu PDMS i innych materiałów. Opisane metody ułatwiają montaż zarówno jednorazowych, jak i wielokrotnego użytku systemów mikrofluidycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Techniki prototypowania
- Nauki o materiałach
Tło
- Urządzenia mikrofluidyczne są niezbędne w różnych zastosowaniach biologicznych.
- PDMS jest szeroko stosowanym materiałem w mikrofluidyce ze względu na swoje korzystne właściwości.
- Techniki szybkiego prototypowania umożliwiają szybki rozwój i testowanie systemów mikrofluidycznych.
- Zrozumienie metod montażu jest kluczowe dla funkcjonalności urządzeń.
Cel badania
- Zbadanie różnych opcji dla platform mikrofluidycznego szybkiego prototypowania.
- Demonstracja produkcji wymiennych łączników za pomocą PDMS.
- Ocena montażu i wydajności czypów mikrofluidycznych.
Zastosowane metody
- Produkcja wymiennych łączników za pomocą PDMS.
- Zamocowanie mikro rurek do łącznika lub bezpośrednio do czypu mikrofluidycznego.
- Montaż czypów mikrofluidycznych i podłączenie ich do interfejsu elektrycznego.
- Przepływ płynu przez łącznik do czypu mikrofluidycznego.
Główne wyniki
- Udana produkcja łączników PDMS.
- Zademonstrowane metody montażu urządzeń mikrofluidycznych.
- Ocena przepływu płynu z różnymi prędkościami przez system mikrofluidyczny.
- Wgląd w wydajność łącznika w badaniu propagacji pola elektrycznego.
Wnioski
- Prezentowane techniki są skuteczne w mikrofluidycznym prototypowaniu.
- Łączniki PDMS zapewniają elastyczne rozwiązanie do testowania urządzeń.
- Te metody mogą być dostosowane do różnych zastosowań mikrofluidycznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Rapid and cost-effective microfluidic prototyping is critical for accelerating early-stage assay development and device validation in biopharma R&D. The described packaging methods enable flexible, scalable assembly of microfluidic platforms, supporting iterative design and functional testing. These capabilities directly impact the speed and reliability of preclinical workflows and device-based screening strategies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates rapid prototyping of microfluidic devices for hypothesis-driven experiments.
- Enables functional validation of device-integrated biological assays under variable flow and pressure conditions.
- Supports iterative design cycles for optimizing device architecture and connectivity.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible assembly for microfluidic assay platforms.
- Allows for both permanent and reusable device configurations to match screening throughput needs.
- Enables quantitative evaluation of fluidic and electrical performance across device variants.
Translational & Preclinical Research
- Supports adaptation of microfluidic systems for disease-relevant model integration when required.
- Maintains device observability for short-channel applications, aiding in mechanistic studies.
- Offers flexibility for preclinical assay transfer and validation across research teams.
Pipeline & Workflow Integration
These packaging methods position microfluidic prototyping at the intersection of early discovery, assay development, and preclinical device validation.
- Discovery Biology: Enables rapid hypothesis testing and device-based pathway interrogation.
- Screening: Delivers reproducible, scalable assembly for high-throughput assay platforms.
- Analytics: Provides quantitative readouts of flow, pressure, and electrical connectivity for comparative analysis.
- Translational Research: Supports continuity from prototype to preclinical validation when device-based assays are required.
- Enterprise Reuse: Offers reusable device configurations, reducing cost and increasing platform flexibility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device-based assay performance and target validation.
- Operational Value: Standardizes assembly workflows, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions for device-enabled screening and assay platforms.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of device-based assay development projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication and assembly techniques.
- Needs access to curing ovens, micromanipulators, and analytical instrumentation for flow and pressure testing.
- Demands cross-team standardization of assembly protocols for reproducibility.
- Adaptation across different device architectures may require optimization of PDMS thickness and interconnect design.
- Reusable configurations are limited to low-pressure applications unless further sealed via plasma-oxygen treatment.
