Растворитель соединения представляет собой простой и универсальный способ изготовления термопластичных микрожидкостных устройств с высоким качеством связи. Мы опишем протокол для достижения сильных, оптически четкие связи в ПММА и КС микрожидкостных устройств, которые сохраняют детали microfeature, с помощью продуманного сочетания давления, температуры, подходящего растворителя и геометрии устройства.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Растворитель Связующие для изготовления ПММА и КС микрожидком устройств
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Термопластичные микрожидкостных устройства предлагают много преимуществ по сравнению, изготовленные из силиконовых эластомеров, но процедуры скрепления должны быть разработаны для каждого термопласта интерес. Растворитель соединения представляет собой простой и универсальный метод, который может быть использован для изготовления устройств из различных пластиков. Соответствующий растворитель добавляют между двумя слоями устройства, подлежащего соединению, и тепло, и давление, применяются к устройству для облегчения сцепления. С помощью соответствующей комбинации растворителя, пластика, тепла и давления, устройство может быть запечатан с высоким качеством связи, характеризуются как имеющие высокий уровень охвата облигаций, прочность связи, оптическую прозрачность, прочность с течением времени, и низкую деформацию или повреждение microfeature геометрия. Мы опишем процедуру скрепления устройств, изготовленных из двух популярных термопластов, поли (метил-метакрилата) (PMMA) и цикло-олефиновых полимеров (КС), а также различные методы, чтобы охарактеризовать качество полученных облигаций и стратегий Труbleshoot низкого качества связи. Эти методы могут быть использованы для разработки новых растворителей протоколы Адгезионные покрытия для других систем пластиком растворителей.
Введение
Микрофлюидикс возникла в течение последних двадцати лет , как технология хорошо подходит для изучения химии и физики на микроуровне 1, и с растущим обещанием внести существенный вклад в исследования биологии 2 - 4. Большинство устройств микрофлюидальных исторически были сделаны из поли (диметилсилоксана) (PDMS), силиконового эластомера , который прост в использовании, недорогие, и предлагает возможность репликации высокого качества 5. Тем не менее, PDMS хорошо документированы недостатки и несовместим с изготовлением больших объемов обрабатывает 6,7, и как таковой, наблюдается растущая тенденция к фабрикации микрожидкостных устройств из термопластичных материалов, из - за их потенциала для массового производства и , следовательно , коммерциализации.
Одним из главных препятствий для более широкого внедрения пластиковых микротехнологий было достижение легко, высокое качество склеивания пластиковых устройств. Современные стратегии используют тHermal, клей, и методы растворителей для склеивания, но многие страдают от серьезных проблем. Термоскрепление увеличивает аутофлуоресценция 8 и часто деформируется Microchannel геометрий 9 - 11, в то время как клеевые методы требуют трафареты, тщательного выравнивания, и в конечном итоге оставить толщину клея подвергается микроканала 10. Растворитель склеивание привлекателен благодаря своей простоте, перестройки частоты и низкой стоимостью 10,12 - 14. В частности, его перестройки частоты позволяет оптимизировать для различных пластмасс, который может дать последовательное, высокое качество склеивания , что сводит к минимуму деформацию microfeatures 14.
Во время приклеивания растворителя, воздействием растворителей увеличивает подвижность полимерных цепей вблизи поверхности пластика, что дает возможность взаимной диффузии цепей через границу раздела приклеивания. Это приводит к запутанности через механическое сцепление диффундирующего цепей, и приводит к арhysical облигаций 10. Термоскрепление работает аналогичным образом, но зависит от повышенной температуры в покое, чтобы увеличить подвижность цепи. Таким образом, тепловые методы требуют температуры около или выше температуры стеклования полимера, в то время как использование растворителей может значительно снизить температуру, необходимую для склеивания, и тем самым уменьшить нежелательную деформацию.
Мы предлагаем специальный протокол для связывания как ПММА и КС устройств. Тем не менее, этот протокол и метод описывает простой, общий подход к растворителя склеивания термопластичных микрожидкостных устройств, которые могут быть приспособлены для других пластиковых материалов, растворителей и имеющегося оборудования. Описаны многочисленные методы оценки качества облигаций (например, покрытие облигаций, прочность связи, прочность связи, а также деформация microfeature геометрии), а также обеспечить подходы по устранению неполадок для решения этих общих проблем.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Обратите внимание, что все шаги, описанные ниже, были разработаны и выполнены в среде без чистых помещений. Растворитель шаги склеивание, безусловно, может быть выполнена в чистой комнате, если таковая имеется, но это не является обязательным.
1. Подготовка слоев устройства Термопласт микрожидком
- Проектирование и изготовления слоев микрожидкостных устройств из термопластика выбора, с использованием соответствующего способа изготовления (например, micromilling 15, тиснение фольгой 16 - 18, литье под давлением).
- Осмотреть слои устройства , чтобы убедиться , что края "чистыми" (то есть, заусенец или гребни остаточному материала от процесса изготовления). Для достижения наилучших результатов, проверьте все механически обработанные края микро-функция в дополнение к внешним краям устройства под оптическим микроскопом.
- Если оставшийся материал найден во время визуального осмотра, используйте лезвие или скальпель, чтобы тщательно удалить любой матПерс, который предотвращает слои от устройств лежа друг против друга так, что интерфейсы слоев вступают в контакт конформной.
- Очистите устройство поверхностей с лабораторным мылом и водой и высушить сжатым воздухом. Submerge слоев устройства в 2-пропанола в течение 2 мин и сжатым воздухом.
2. Растворитель Bonding
- Приготовьте горячий пресс (для ПММА) или конфорку (для КС).
- Для PMMA (акрила, температура стеклования ~ 100-110 ° C) 18 предварительного нагрева пресса до 70 ° C, и позволяют стабилизации температуры.
- Для КС (температура стеклования 102 ° C, от производителя), предварительно нагреть конфорку до 25 ° C, и позволяют стабилизации температуры.
- Подготовка растворителя для процесса склеивания.
- Для ПММА, измерения 0,5 мл этанола на квадратный дюйм площади скрепления.
- Для КС, готовят смесь 65:35 2-пропанола и циклогексана, остроумиега общий объем 0,5 мл смеси на квадратный дюйм площади приклеивания.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для КС, использовать стеклянные пипетки и контейнеры, а циклогексан растворится общий полипропилен лабораторное оборудование. Выполните все смешивание и склеивание в вытяжном шкафу, так как циклогексан является токсичным.
- Разлить 0,1 мл растворителя на квадратный дюйм площади склеивания между очищаемых пластиковых слоев и довести слои вместе. Визуальный осмотр на наличие пузырьков воздуха на границе склеивания, которые являются общими, и должны быть удалены как можно больше.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это выгодно работать быстро, как только растворитель было обойтись, так как летучие растворители начнут испаряться (и, следовательно, смеси растворителей будет меняться в композиции).- Если имеются пузырьки, скользят два пластмассовых сло вдоль границы раздела скрепления таким образом, что они почти отделиться (но остаются в контакте), а затем вставьте их обратно вместе.
- Совместите слои устройства с выравниванием штифтами,обычай джиг, или просто вручную (смотрите раздел Обсуждение для получения более подробной информации).
- При использовании установочные штифты, совместите отверстия для штифтов, и вставьте штырьки в стек устройства.
- При использовании пользовательского кондуктор, вставьте стек устройства в кондуктор и затянуть вокруг устройства.
- Если выравнивание вручную, используйте пальцы, чтобы выровнять внешние края устройства.
- Поместите устройство с растворителем в предварительно нагретый пресс (для ПММА) или на предварительно разогретой конфорки (для КС).
- Для ПММА, применяют 2.300 кПа давления в течение 2 мин.
- Для КС, применять 350 кПа давления. Повышение температуры от 25 ° С до 70 ° С со скоростью 5 ° С / мин. После достижения 70 ° С (через 9 мин), св зь в течение еще 15 мин.
- Используйте пинцет, чтобы безопасно удалить горячий прибор для осмотра. Связующие завершена.
- Удалите оставшуюся жидкость в устройстве (в микроканалов или других featurэс).
- Для ПММА, удалите оставшуюся жидкость с сжатым воздухом. Для КС, поместите присоединенную устройство на плитке и выпекать при температуре 45 ° С в течение 24 ч, чтобы удалить остатки циклогексана.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Схема общего растворителя процедуры связывания показан на рисунке 1. Самый простой способ для оценки качества облигаций является визуальный осмотр покрытия облигаций, так как недостаточный охват связь хорошо видна как области несвязанной пластика, а также свидетельствует о слабой связи. Такие районы , как правило , вблизи свободного края (например, периферия устройства, или вблизи открытых портов или микроканалы), а также могут часто появляются вокруг любых част...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Технико-экономическое обоснование возможных стратегий связывания зависит от имеющегося оборудования. В то время как конфорки являются довольно распространенным явлением, и свободные веса можно приобрести недорого, стратегии высокого давления потребуется применение нагретого пресса. Например, наш оптимальный рецепт ПММА склеивание требует высокого давления , чтобы связь с этанолом (таблица 1), и требуемое давление не достижимы для типичных размеров устройств с использованием свободных весов. Таким образо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Благодарности
Мы признаем финансовую поддержку со стороны естественных наук и инженерного исследовательского совета Канады (NSERC, # 436117-2013), Научно-исследовательского онкологического общества (CRS, # 20172), миеломы Канады и Гранд вызовы Канады.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 кг COP Пеллеты - 1020R. Можно использовать несколько поставщиков, но это может повлиять на характеристики склеивания. |
| ПММА | McMaster Carr | 8560K173 | толщина листа 1,5 мм для наших типичных применений. Можно использовать несколько поставщиков, но это может повлиять на характеристики склеивания. |
| Циклогексан | Сигма-Олдрич | 227048 | Циклогексан, безводный, 99,5%. Можно использовать несколько поставщиков. Токсичен, требует высыпания. |
| Этанол | Sigma-Aldrich | 24102 | Этанол, абсолютный, ≥ 99,8% (GC). Можно использовать несколько поставщиков. |
| Ацетон | Сигма-Олдрич | 179124 | ацетон, реагент ACS, ≥ 99.5%. Можно использовать несколько поставщиков. |
| 2-Пропанол | Сигма-Олдрич | 278475 | 2-Пропанол, безводный, 99,5%. Можно использовать несколько поставщиков. |
| Конфорка(ы) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Полностью программируемая цифровая конфорка. Можно использовать несколько поставщиков. |
| Свободные грузы | Колпачок Штанга | РПГ #2 | Стандартная чугунная пластина. Можно использовать несколько поставщиков и разный вес. |
| Пресс с подогревом | Carver | Auto CH | серии Auto с подогревом гидравлический пресс. Можно использовать несколько поставщиков. Пресс, который помещается в вытяжной шкаф, обеспечит наибольшую гибкость (эта модель этого не делает). |
| Фрезерный станок | с ЧПУ Tormach | PCNC 770 | 3-осевой фрезерный станок с ЧПУ. Можно использовать несколько поставщиков. |
| Концевые фрезы | Различные | Различные | Требуемые размеры зависят от конструкции. Можно использовать несколько поставщиков. |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
