Summary
מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית עבור בודת מכשירי microfluidic תרמופלסטיים עם אג"ח באיכות גבוהה. אנו מתארים פרוטוקול להשיג חזק, אג"ח ברור אופטי ב PMMA והתקני microfluidic COP המשמרים פרטי microfeature, על ידי שילוב מושכל של לחץ, טמפרטורה, ממס מתאים, וגיאומטריה מכשירה.
Abstract
מכשירי microfluidic תרמופלסטיים מציעים יתרונות רבים על פני אלה עשויים אלסטומרים סיליקון, אך הליכים מליטים יש לפתח עבור כל תרמופלסטיים עניין. מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית שיכול לשמש כדי לפברק מכשירים ממגוון פלסטיק. ממס מתאים מתווסף בין שתי שכבות המכשיר להיות מלוכד, ואת החום ולחץ מוחלים על המכשיר כדי להקל על המליטה. באמצעות שילוב מתאים של ממס, פלסטיק, חום, לחץ, המכשיר יכול להיות אטום עם קשר באיכות גבוהה, מאופיין כבעל כיסוי אג"ח גבוה, חוזק קשר, בהירות אופטית, עמידות לאורך זמן, ועיוות נמוכה או ניזק microfeature גֵאוֹמֶטרִיָה. אנו מתארים את הליך התקנים מליטים עשויים משני תרמופלסטיים פופולריים, פולי (מתיל-methacrylate) (PMMA), ופולימר אולפינים-סקל (COP), כמו גם מגוון רחב של שיטות כדי לאפיין את איכות האג"ח וכתוצאה מכך, ואסטרטגיות כדי Troubleshoot אג"ח באיכות נמוכה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לפתח פרוטוקולים מליטים ממס חדשים למערכות פלסטיק ממסים אחרות.
Introduction
מיקרופלואידיקה התפתחה בעשרים השנים האחרונות כטכנולוגיה גם מתאים ללמוד כימיה ופיזיקה בבית microscale 1, ועם הבטחה הגוברת לתרום משמעותית למחקר בביולוגיה 2 - 4. רוב תקני microfluidic היסטורי נעשה מתוך פולי (dimethylsiloxane) (PDMS), אלסטומר סיליקון כי הוא קל לשימוש, זול, ומציע שכפול תכונה באיכות גבוהה 5. עם זאת, PDMS יש מתועד היטב ליקויים אינה עולה בקנה אחד עם ייצור בנפח גבוה תהליכים 6,7, וככזה, חלה מגמה הולכת וגוברת של בודה מכשירים microfluidic מחומרים תרמופלסטיים, בשל הפוטנציאל שלהם לייצור המוני ובכך מסחור.
אחד המחסומים העיקריים לאימוץ של microfabrication פלסטיק רחב יותר כבר השיג מליט איכות קלה, גבוהה של מכשירי פלסטיק. אסטרטגיות נוכחיות להעסיק thermal, דבק, וטכניקות מליטה ממסות, אך רב סובלים אתגרים משמעותיים. מליטה תרמית מגדיל autofluorescence 8 ולעתים קרובות ומעווה גיאומטריות microchannel 9 - 11, בעוד טכניקות דבקות דורשות שבלונות, יישור זהיר, ובסופו של דבר לעזוב את העובי של הדבקה החשופה אל microchannel 10. מליטה מרכך אטרקטיבית בשל הפשטות שלה, tunability, ועלות נמוכה 10,12 - 14. בפרט, tunability שלה מאפשר אופטימיזציה עבור מגוון רחב של פלסטיק, אשר יכול להניב עקבי, מליט באיכות גבוהה ממזער עיוות של microfeatures 14.
במהלך מליטה ממסה, וחשיפה לחומריים מגבירה את הניידות של שרשרות פולימר קרוב לפני השטח של הפלסטיק, המאפשר דיפוזיה יתר של רשתות על פני הממשק המליט. זה גורם הסתבכות באמצעות שלובים מכאניים של השרשרות לשדר, ואת תוצאת ap10 האג"ח hysical. מליטת תרמי עובדת בצורה דומה, אך מסתמכת על טמפרטורה גבוהה לבד להגדיל ניידות שרשרת. לפיכך, שיטות תרמיות דורשות טמפרטורות ליד או מעל מעבר הזכוכית של הפולימר, ואילו השימוש בממסים יכול להפחית באופן משמעותי את הטמפרטורה דרושה מליט, ובכך להפחית עיוות בלתי רצויה.
אנו מספקים פרוטוקול ספציפי עבור מליטה היא PMMA והתקני COP. עם זאת, פרוטוקול זה ושיטה מתארים גישה פשוטה, גנרי מליט ממס של מכשירי microfluidic תרמופלסטיים כי ניתן להתאים חומרים פלסטיים אחרים, ממסים, וציוד זמין. אנו מתארים שיטות רבות להערכת האיכות של אג"ח (למשל, כיסוי אג"ח, חוזק קשר, עמידות אג"ח, דפורמציה של גיאומטריות microfeature), ולספק גישות לפתרון בעיות כדי לטפל באתגרים אלה נפוצים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
שים לב כי כל הצעדים המתוארים להלן פותחו וביצע בסביבה לא-חדר נקי. השלבים המליטים הממס יכולים בהחלט להתבצע cleanroom, אם הוא זמין, אך הדבר אינו הכרחי.
1. הכנת שכבות המכשיר microfluidic תרמופלסטיים
- עיצוב לפברק שכבות מכשיר microfluidic מן תרמופלסטיים של בחירה, באמצעות שיטת ייצור מתאימה (למשל, micromilling 15, בלטות 16 - 18, הזרקה).
- ראייה לבדוק שכבות המכשיר על מנת להבטיח כי קצוות הם "נקיים" (כלומר, לא קוצים או רכסים של חומר שאריות מתהליך הייצור). לקבלת התוצאות הטובות ביותר, לבדוק את כל הקצוות מיקרו-תכונה במכונה בנוסף בקצוות החיצוניים של המכשיר תחת מיקרוסקופ אופטי.
- אם חומר שאריות נמצא במהלך בדיקה חזותית, השתמש סכין גילוח, או אזמל כדי להסיר כל מחצלת בזהירותerial שמונעת שכבות המכשיר לנוח שטוחה נגד אחד אחר כך הממשקים של שכבות באים במגע קונפורמי.
- מכשיר לניקוי משטחים עם סבון מעבדה ומים ויבש עם אוויר דחוס. לצלול שכבות מכשיר 2-propanol למשך 2 דקות ויבשות עם אוויר דחוס.
2. Bonding מרכך
- כן עיתונות מחוממת (עבור PMMA) או פלטה חשמלית (עבור COP).
- לקבלת PMMA (אקריליק היצוק, טמפרטורת מעבר כוס ~ 100-110 מעלות צלזיוס) 18 עיתונאים מחממים עד 70 מעלות צלזיוס, ולאפשר טמפרטורה לייצב.
- עבור COP (טמפרטורת המעבר זכוכית של 102 מעלות צלזיוס, מיצרן), מחממים פלטה חשמלית ל -25 מעלות צלזיוס, ולאפשר הטמפרטורה לייצב.
- כן ממס עבור תהליך מליט.
- לקבלת PMMA, למדוד 0.5 מ"ל של אתנול לאינץ 'מרובע של שטח מליטה.
- עבור COP, להכין תערובת 65:35 של 2-propanol ו cyclohexane, שנינותחה נפח כולל של 0.5 מיליליטר של התערובת לאינץ 'מרובע של שטח מליט.
הערה: לקבלת COP, משתמשת זכוכית טפטפות ומכולות, כמו cyclohexane תתמוסס מעבדתי פוליפרופילן משותפת. בצע את כל הערבוב המליט במנדף, כמו cyclohexane הוא רעיל.
- לוותר 0.1 מיליליטר של ממס לאינץ 'מרובע של שטח מליט בין שכבות פלסטיק לנקות ולהביא את השכבות יחד. ראייה לבדוק בועות אוויר על הממשק המליט, אשר נפוצות, ויש להסירם ככל האפשר.
הערה: זה מועיל לעבוד במהירות ברגע הממס כבר לוותר, כמו ממסים נדיפים יתחילו להתאדות (ומכאן, תערובות ממסות תשתנינה רכב).- אם בועות נוכחות, והחלק את שתי שכבות פלסטיק לאורך הממשק המליט כך שהם כמעט מתפרקים (אבל לשמור על קשר), ולאחר מכן להחליק אותם שוב ביחד.
- יישר את השכבות של המכשיר עם סיכות יישור,לנענע מותאם אישית, או פשוט על ידי יד (ראה סעיף דיון לפרטים נוספים).
- אם באמצעות סיכות יישור, יישר את החורים של הפינים, והכנס את הסיכות לתוך הערימה המכשירה.
- אם אתה משתמש לנענע מותאם אישית, הכנס את מחסנית המכשיר לתוך לנענע והדק סביב המכשיר.
- אם יישור ביד, להשתמש באצבעות כדי ליישר את הקצוות החיצוניים של המכשיר.
- מניחים את המכשיר עם הממס לתוך העיתונות מחומם מראש (עבור PMMA) או על פלטה חשמלית מחומם מראש (עבור COP).
- לקבלת PMMA, להחיל 2,300 kPa בלחץ למשך 2 דקות.
- עבור COP, להחיל 350 kPa בלחץ. העלו את הטמפרטורה מ -25 ° C עד 70 ° C בשיעור של 5 ° C / min. לאחר שהגיע 70 ° C (לאחר 9 דקות), ואג"ח בהיקף של 15 דקות נוספות.
- להשתמש בפינצטה כדי להסיר את ההתקן החם בבטחה לבדיקה. Bonding הושלמה.
- הסר את כל הנוזל הנותר במכשיר (ב microchannels או featur אחריםes).
- לקבלת PMMA, להסיר כל נוזל הנותר עם אוויר דחוס. עבור COP, במקום התקן מלוכדות על פלטה חמה ואופים בחום של 45 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי להסיר כל cyclohexane הנותרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
סכמטי של ההליך המליט הממס הכללי מוצג באיור 1. הדרך הקלה ביותר כדי להעריך את איכות קשר היא לבדוק כיסוי אג"ח חזותי, מאז כיסוי אג"ח העני גלוי בקלות כאזורים של פלסטיק לא מחובר, והוא מעיד על מליטה חלשה. אזורים כאלה הם בדרך כלל בקצוות חינם ליד (למשל, בפריפריה של מכשיר, או ליד יציאות פתוחות או microchannels), וגם לעתים קרובות יכולים להופיע סביב כל חלקיקי אבק או לכלוך על הממשק המליט. כיסוי אג"ח מסכן בשל מליטה חלשה הוא בדרך כלל לראות בשלב פיתוח פרוטוקול, לפני תנאי הרכב מליטים הממס האופטימליים נמצאו, ודוגמאות מוצגות באיור 2A. בדרך כלל, מליטה חלשה מצביעה על צורך אחד או יותר מהרכיבים הבאים: (i) ממס יותר אגרסיווי (כלומר, פתרון ריכוז גבוה, או חומר ממס אחר), (ii) טמפרטורה מליטה גבוהה, וכן (iii) מליטה גבוהה יחסי הציבורחסימת חצוצרות.
לעומת זאת, תנאים מליטים אגרסיביים מדי עלולים להוביל כיסוי אג"ח מעולה עם כוח אג"ח גבוה, אלא גם ניזק או אטום microfeatures, כפי שמוצגים באיור 2B. ברוב מקרי הדבר קורה בשל הממס להיות אגרסיווי מדי, אם כי טמפרטורה גבוהה (מתקרב טמפרטורת מעבר כוס הפלסטיק) יכולה גם היא לגרום עיוות משמעותית.
בעל איכות גבוהה, מכשיר מלוכד היטב הוא כיסוי הקשר טוב דפורמציה מינימאלי של microfeatures, כפי שמוצג באיור 2C. בהתאם ממס וטמפרטורה של בחירה, זה עלול להיות קשה להשיג כיסוי הקשר טוב סמוך לשולי פנוי בהתקן אם ממס הוא תנודתי מאוד ובכך מתאדה במהירות. במצבים אלה, הוספת microgrooves הקטן לעיצוב של המכשיר, בשולי העניין, יכול לסייע בהפחתת סיכון אידוי ממס ובכךלשפר את כיסוי אג"ח, כפי שמוצג באיור 2 ד. אנו משתמשים בדרך כלל חריצים עם מידות חתך של 500 x 500 מיקרומטר, להציב 300 מיקרומטר מהקצה. 14
בנוסף בדיקה ויזואלית כללית של כיסוי אג"ח, הוא בדיקות הרסניות ולא הרסניות צריכים לשמש כדי לחקור איכות אג"ח נוסף וניזק microfeature. שתי בדיקות הרסניות כי הם שימושיים בשלב פיתוח פרוטוקול הם (i) חוצה חתך וכן (ii) תוחב מכשירים מלוכדים זה מזה, כדי להעריך גיאומטרית microfeature ואת עוצמת קשר, בהתאמה. אנחנו מעדיפים להשתמש micromilling סעיף המכשירים שלנו, כפי שאנו מוצאים זה מציע שילוב טוב של נוחות, דיוק, ומשטחים נקיים יחסית. בהעדר מכונת כרסום גישות אחרות ניתן להשתמש, למרות שהם יציגו אתגרים שונים. דוגמאות כוללות צמצום במסור יהלום או מסור חשמלי (משאיר משטחים קשים), בזהירות המצלמתמכשיר קווים בקיעים (יכול להיות קשה בשל עובי, ומתח גזירה עלול לגרום למכשיר כדי delaminate), או פשוט מלטש משם חלק של המכשיר (זמן רב). משטחים קשים מחיתוך יכול להיות מוחלק עם מלטש.
לא משנה מה השיטה, צריכים להיות מחולק התקנים בניצב microfeatures של עניין, ניתן לבדוק ויזואלית באמצעות מיקרוסקופ אופטי. הגודל והצורה של חתכי microfeature יציינו כמה עיוות התרחשו בשל מליטה. פחות ממסים אגרסיביים, וטמפרטורות נמוכות ולחצים, ישמרו פינות חדות יותר טובים וישר קירות, בעוד תנאים אגרסיביים יותר יגרמו עיגול פינות וקירות, וכן ירידת חתך באזור בשל נפיחות פולימר. תמונות של תוצאות אופייניות מוצגות באיור 3.
ניתן למדוד כוח בונד ידי חלקיתly תוחבת לגזרים את שכבות מלוכדות עם פחית ומדידת המרחק מהקצה של פחית אל קצה האזור delamination. את עוצמת הקשר ניתן לחשב את המרחק הזה, את עובי השכבות ואת הפחית, ואת מודול אלסטי של הפלסטיק. 14,19 אם הערך חוזק קשר הספציפי אינו חשוב, תוחב את השכבות בנפרד מספק שיטה איכותית להעריך אם הקשר חזק מספיק הכוחות הטיפוסיים וטיפול המכשיר יפגוש במהלך ניסויים.
בדיקות הורסות הן שימושיות לאימות איכות מכשיר תוך השאיר אותו לשימושי למטרה שלה נועדה. שיטה פשוטה ושימושית היא לבדוק באמצעות מיקרוסקופ, תוך התמקדות בעיקר על כיסוי אג"ח סמכו לשולי microfeature, או על אזורים מליטים קטנים. אזורים לא מחוברים להופיע מעט כהה יותר אזורים מלוכדות בשל הפער האוויר הדליל בין שכבות פלסטיק, כפי שמוצג באיור 4 </ Strong>, צריך להיות מורגש על ידי בדיקה מדוקדקת עם מיקרוסקופ. מציאת אזורים של פלסטיק לא מחובר יכולה לעזור לביים חזרה שנייה של מליטה מקומית לאטום חלקים קריטיים של המכשיר לפני השימוש.
טכניקה שימושית להשגת קשרים חזקים עם ממיס אגרסיבי, אבל תוך מזעור הנזק microchannels, היא להוסיף חריצים עם יציאות גישה לעיצוב המכשיר, ורק להוסיף ממס החריצים (במקום להציף את השטח מליטה עם ממס). זו מקטינה באופן משמעותי קשר בין microchannel ואת הממס הנוזלי (אדי עדיין נכנס microchannel), וכתוצאה מכך מקטין עיוות כפי שמוצגת באיור 5.
בהתאם ליישום התקן המיועד, בדיקות עמידות לטווח ארוך ייתכן שתידרש. לדוגמא, רב של התקנים שלנו משמשים לניסויים ביולוגיים, ויכול מתגורר envi חממת תאלהתמצאות (37 ° C, 100% לחות) לתקופה של עד מספר שבועות. עמידות ניתן להעריך על ידי צבת מכשירי בדיקה בתנאים הנדרשים המשך הנדרש, ובדקה לאחר מכן עבור ירידה ויזואלית בכיסוי אג"ח (delamination של המכשיר), או נחלשה כוח האג"ח המאפשר למכשיר להיות תקוע מזה בקלות. דוגמאות מוצגות באיור 6, ומצביעות על הצורך לשנות את ההליך מליט להשיג כוח אג"ח גבוה יותר.
איור 1: סכמטי של תהליך מליט. התהליך המליט הממס הכללי הוצג. ממס נוזלי מתווסף בין שכבות מכשיר שני תרמופלסטיים להיות מלוכדת. השכבות הפגישו ובועות יוסרו מן הנוזל על הממשק המליט. לחץ וחום מוחלים על המכשיר למשך נדרש, וההתקן המלוכד הושלם. כל מחדשנוזל maining ניתן להסיר יציאות פתוחות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: דוגמאות ויזואליות של איכות משתנה בונד. (א) אתגר משותף עם גישות מליטות ממס רבים נוזליים הוא כי אידוי מהיר מתרחש סמוך לשולי פנוי בהתקן במהלך השלב המליט המחומם בשל ממס התנודתיות. זו מובילה פעמים רבות אזורים של חומר לא מחובר ליד קצוות אלה, וכתוצאה מכך כיסוי אג"ח עני, תכונות microfluidic דולפות, חוזק קשר כולל נמוך. אזורים אלה גלויים ככתמים קלים עם בשולי הפרעה צבעוניים (חיצים צהובים). (ב) לעומת זאת, אגרסיביות מדי תשואות מליטות ממס כיסוי אג"ח מעולה, אבל גם יכול לגרום Dama המשמעותיGE כדי microfeatures, ובכך לעוות או סגירת ערוצי המכשיר (חיצים צהובים). (ג) מערכת ממס-פלסטיק מותאם משיג כיסוי הקשר טוב וכוח, וממזער נזק microfeatures ועדיין איטום אותם כראוי. (ד) במקרים מסוימים, הוספת שמירה ממסה חריצים במקביל קצוות מכשירים (חץ צהוב) יכול לעזור לשפר את כיסוי אג"ח ולאטום microfeatures כראוי. חריצים עשויים להיות נחוצים אם כיסוי אג"ח טוב יותר נדרש, אבל זה רצוי להגדיל את כוח הממס (בשל פגיעה מוגברת וכתוצאה מכך microfeatures). ברי סולם = 1 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3: חתך של בונדד התקנים. רשות אישורי התהליך המליט הממסים n לעוות microfeatures אם הממס הוא אגרסיווי מדי, או אם הטמפרטורה או לחץ המליט הם גבוהה מדי. בדיקת חתכים של מכשירים מלוכדים תגלה תקריות של דפורמציה microfeature. ביצוע בדיקות כאלה עבור כל מערכת ספציפית פלסטיק ממסים יכול לעזור להקים את הפרמטרים האופטימליים להשגת איכות microchannel הרצויה. נציג תמונות מוצגות עבור בחיתוכים של ערוץ PMMA מרובע 500 מיקרומטר מלוכדות מתאימים (משמאל) אגרסיביות מדי (מימין) תערובות ממסות. שני מדדים של מידת העיוות נגרמת ממס הם עיגול פינות קירות ישרים, ואת עובי שכבת ממס העשיר של פלסטיק על משטחים שהיו במגע עם הממס (חיצים צהובים). סרגל קנה מידה = 200 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
"1"> 
איור 4: בלתי הורס פיקוח באמצעות מיקרוסקופי. בדיקה זהירה עם מיקרוסקופ אופטי ניתן לזהות אזורים של פלסטיק לא מחובר, בעיקר ליד קצות microfeature, או על אזורים מליטים קטנים. אזורים לא מחוברים (חצים אדומים) מופיעים מעט כהים יותר אזורים מלוכדים בשל פער האוויר הדליל בין שכבות הפלסטיק, בשולי הפרעה צבעוניים הם לפעמים גלויים גם באזורים אלה. זיהוי אזורים של מליטת עניים יכול להעיד על צורך חזרה שנייה של מליטה, עם ממס מקומי להוסיף נקודות בעייתיות. סרגל קנה מידה = 1 מ"מ.
איור 5: מזעור הנזק ערוצים ידי הוספת מרכך רק כדי חריצים. תמונת מיקרוסקופ מראה חתך של ערוץ PMMA מוקף שני חריצים. ניתן להוסיף מרכך כדי grooves בעוד שתי שכבות המכשיר נלחצים יחד, ולא מציף את הממשק המליט עם ממס. זה ממזער קשר ממס מאוד עם החלק הפנימי של microchannel, ובכך ממזער עיוות ממס מושרה. גישה זו שימושית כאשר כממס אגרסיווי נדרש כדי להבטיח חוזק וכיסוי אג"ח גבוה, אך מגעים בין הממס microchannels צריך להיות ממוזערים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: עמידות השוואה (פלזמה בסיוע) מגע תרמי. מליטה מרככת (א) מניבה איכות קשר טובה יותר מאשר מגע תרמי בסיוע פלזמה (B) או מגע תרמי (C) טכניקות, וגם עמידות טובה יותר בתאתנאי חממה (37 ° C, 100% לחות). שני טכניקות התרמית שגרתי לעזוב "הילות" משמעותיות של microfeatures שמסביב פלסטיק לא מחובר, עם מגע תרמי בסיוע הפלזמה להיות טוב יותר מאשר מגע תרמי רגיל. אג"ח אלה גם לבזות לאורך זמן, עם אזורים לא מחוברים גדל בגודל. כאשר מכשיר COP ממיס מלוכדות לא הראה שינוי מליט מעל 48 שעות באינקובטור (א), מכשיר פלזמת תרמית מלוכדות delaminated לחלוטין (B). מכשיר מלוכדות הקבוע התרמית החל delaminate בתוך 10 דקות בתנאי סביבה (C), וגם delaminated לחלוטין בחממה. ברי סולם = 5 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| פלסטי | מֵמֵס | | לחץ (kPa) | משך (דקות) | הערות | | ||
| PMMA | 100% אתנול | 70 | 2,300 | 2 | האפשרות הטובה ביותר אם עיתונות מחוממת זמינה (החובה עבור בלחץ גבוה). באופן עקבי מניב כיסוי אג"ח מצוין (ללא שימוש חריצי שמירה ממסים), עם עיוות נמוכה של microfeatures. דורש ממס מעט מאוד, והוא מאוד רגיש בועות ואבק / עפר על הממשק המליט עקב לחץ גבוה. | ||
| PMMA | 75% אצטון / 25% מים | 40 | 30 | 20 | עקביות נחות השיטה הנ"ל ולוקחת זמן רב יותר, אך אינו מחייב העיתונות מחומם (אפשר לעשות עם פלטה חשמלית ומשקולות). כיסוי בונד נעזר במידה רבה על ידי שימוש של חריצי שמירה ממסים. | ||
| שׁוֹטֵר 35% שסיקלו הקסאן / 65% 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | מצאנו כי מראש חימום הפלטה החשמלי גורם מדי אידוי ראשוני, וגם מוביל ההלבנה של הפלסטיק. במקום זאת, אנו שמים את המכשיר על פלטה חמה בטמפרטורת החדר ולאחר מכן להעלות את הטמפרטורה ל -70 מעלות צלזיוס (שיעור הרמפה של 5 ° C / min). לאחר הטמפרטורה מתייצבת על 70 מעלות צלזיוס (ב 9 דק '), אנו האג"ח בטמפרטורה זו למשך 15 דקות נוספות. | |||
טבלה 1: פרמטרים מליטה מרכך. סיכום של שילובים של פלסטיק, ממיסים, טמפרטורות, לחצים PMMA ופרוטוקול מליטה ממס COP.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
היתכנותו של אסטרטגיות מליטה הפוטנציאל תלוי הציוד זמין. בעוד כיריים הן תופעה שכיחות יחסית ומשקולת ניתן לרכוש בזול, אסטרטגיות בלחץ גבוה תחייבנה את השימוש של עיתונות מחוממת. לדוגמא, מתכון מליטת PMMA האופטימלי שלנו דורש בלחץ גבוה כדי להתחבר עם אתנול (ראה טבלה 1), ואת הלחץ הנדרש אינו בר השגה עבור גדלי מכשיר טיפוסיים באמצעות משקולות חופשיות. לכן, אם רק פלטה חשמלית ומשקלות זמינים, PMMA יכול להיות קשור במקום עם ממס שונה (75% אצטון במים). בנוסף, שימוש בממיסים הדורשים במנדף עשויה גם להגביל היתכנות, במיוחד אם בלחצים גבוהים נדרשים, כמו אסטרטגיות כזה ידרוש הן את השימוש של עיתונות מחוממת והצורך להתאים בעיתונות בתוך במנדף. שיקולים אלה יכולים לעזור להדריך אותך בבחירת ממס בעת פיתוח מערכות ממס פלסטיק חדש, עם עדיפות ממיסים מזיקים פחות ובלחץ נמוךים כי עדיין להציע מליטה באיכות גבוהה.
אחרי שיטה מליטה ממס עבר אופטימיזציה עבור פלסטיק ספציפי, ייתכנו אתגרים הנותרים עם כיסוי אג"ח עני ליד קצוות מכשירים, בשל תופעות אידוי במהלך התהליך המליט. כאמור בסעיף נציג התוצאות, אסטרטגיה אחת שיכול ולמתן בעיות אלה היא התוספת של חריץ שמירת ממס שיוצאת במקביל את הקצוות של עניין (כלומר, הקצה החיצוני של המכשיר, ולצד כל ערוצים או יציאות, כי בדרך כלל מפגינים מליטה קושי). בנוסף, שתיים או יותר יציאות דרך החור ניתן להוסיף לכל חריץ (ו / או חריצים ניתן לחבר), כך ממס ניתן להוסיף ישירות לתוך החריצים עם טפטפת. לכך יש שני שימושים אפשריים: (i) ממס ניתן להוסיף החריצים במקום להציף את הממשק המליט, אשר ממזער מאוד קשר בין הממס ואת הקירות של microchannels (ראה איור 5),ו (ii) אם הניסיון הראשוני ב המליטה משאיר באזורים מסוימים עם כיסוי אג"ח עני, יותר ממס ניתן להוסיף מקומי לסיבוב שני של מליטה, אשר לעתים קרובות חותם בכל תחומים קריטיים שנותרו סביב microfeatures. ראוי לציין כי חריצים יכולים להוסיף לעת ייצור, ומאז הם תופסים מקום על ההתקן, לא יכולים להיות מקובל כמה עיצובים בצפיפות גבוהה.
אתגר משותף אחד עם אסטרטגיות מליטות הוא היישור של השכבות המכשירות במהלך מליטה. מספר אסטרטגיות אפשריות, בהתאם לדרישות דיוק. אם היישור אינו קריטי (כלומר, אם כל microfeatures הוא על שכבה אחת, אשר הוא קשורה שכבת מצע בסיסית שטוחה), היישור הידני ולאחר מכן על ידי יד מספיק. לקבלת מידע על דרישות יישור תובעניות יותר, יישור יד עדיין עשויה להספיק, אם כי זה תלוי במידה מה על המיומנות של חוקר הפרט. אנחנו יכולים להשיג דיוק יישור שגרתי בתוך 100 מיקרומטר, והחלטות חכמותעיצוב מכשיר יכול להירגע דרישות דיוק יישור (כלומר, על ידי עיצוב טולרנסים לתוך microfeatures של המכשיר ואם אפשר, כך misalignments הקלה אינה משפיעה ביצועי מכשיר). זוהי טכניקה שימושית לעזור עם יישור יד היא להשתמש ממיס כמה שפחות כדי לכסות את פני השטח המליט. עם כמויות עודפות של ממס, שכבות הפלסטיק "צף" על השכבה הדקה של נוזל, ואל לשמור על היישור שלהם כאשר המכשיר מועבר הפלטה החשמלית או העיתונות מחוממת. לעומת זאת, שכבה דקה מאוד של ממס עוזרת "מקל" שכבות הפלסטיק יחד ולשמור יישור לאחר שהם מותאמים ביד.
אם יישור מדויק יותר נדרש, אסטרטגיות אפשריות כוללות בסוגריים בפינה בצורת L להחזיק את שכבות המכשיר יחד, סיכות יישור כי לעבור את השכבות המכשירות, באמצעות קלטת בצד החיצוני של המכשיר כדי להבטיח כהונות שכבה, או כושונים שהותקנו כי יכול להחזיק tהוא המכשיר במהלך השלב המליט. עבור כל האסטרטגיות הללו, יש לציין כי חומרת היישור חייבת בדרך כלל להיות קצרה יותר מאשר גובה הערימה הכולל של המכשיר כזה שלחץ יכול להיות מיושם על הפנים של המכשיר במהלך מליטה.
האתגר עבור מליטה ממס הוא בדרך כלל לא לרוחב, אבל העומק של microchannels כי microchannels רדוד ניתן לכווץ כממס אגרסיבי יתר על המידה או על ידי בטמפרטורות גבוהות מדי ולחצים. עבור בעומק נתון, ערוצים רחבים יותר רגישים יותר לקרוס מ בתעלות צרות. למרות שאנו לא מפוברקים ערוצים מתחת ל -50 מיקרומטר רוחב (בשל מגבלות של מכונת כרסום CNC שלנו המגבילות את קוטר endmill מינימום שאנחנו יכולים להשתמש), יש לנו ערובה שגרתי ערוצים מופרדים מרחקים בסדר גודל של 25 מיקרומטר. מבחינת עומק, יש לנו גם מלוכדים בהצלחה תעלות רדודות מאוד (~ 15 מיקרומטר) באמצעות שיטה זו.
לבסוף, השוואהמליטת ממס של שלב נוזלי לטכניקות מליטות אחרות היא מוצדקת. שלוש טכניקות מליטה נפוצים אחרים הם מליטה אדי שלב ממס, מליטה דיפוזיה תרמית, מליטה דיפוזיה תרמית בסיוע פלזמה. בשלב אדי מליטה ממס מניות רבים מן המאפיינים של מליטה ממס שלב נוזלי, אבל הוא מניסיוננו יותר קשה לביצוע מתכונן פחות, מה שמוביל לתוצאות עקביות פחות. החלת ממס בשלב אדי דורשת גם בתא ואקום או בתא אדי עם בעל מכשיר, ואנו מוצאים את התהליך הוא פחות לשליטה מאשר באמצעות נוזל. בנוסף, טכניקות בשלב אדים הם לעתים רחוקות נוחות לשימוש עם תערובות ממסות, שכן כמעט כל תערובות הנן ללא azeotropic, וכך תשתנינה הרכב שלהם מנוזל שלב גז, בהתאם ללחץ טמפרטורת סביבה.
מליטת דיפוזיה תרמית כרוכה לחיצה על שכבות המכשיר יחד בטמפרטורה גבוהה ליד טמפרטורת מעבר הזכוכית(ז T) של פלסטיק. הטמפרטורה הגבוהה מגבירה ניידות שרשרת פולימר, המאפשרת שרשרות כדי interdiffuse פני הממשק המליט ליצור קשר. 10 עם זאת, כי המכשיר כולו מחומם לאותה הטמפרטורה, ניידות שרשרת הוא גדל בכל מקום, microfeatures נעשית מעוותת ולא מעוגלת 9,10. לפיכך, הגדלת עוצמת הקשר (בשל הטמפרטורה מליטה גבוה) בא על העלות הישירה של נזק microfeatures. שינוי אחת ל מגע תרמי הוא השימוש של טיפול פני שטח פלזמת חמצן טרום מליט, אשר מפחית את g המקומי (משטח) T של הפולימר 20. פלזמה בסיוע זה מגע תרמי ובכך מאפשר מליט להתרחש בטמפרטורות נמוכות יותר, רחוק יותר מן g T בתפזורת. אמנם זה עושה להפחית את כמות העיוות כדי microfeatures בהשוואה מגע תרמי, מצאנו כי כיסוי קשר ראשוני וכוח עדיין נמוכים בהרבה בהשוואה ממס מליטה, ו- IMportantly, האג"ח לבזות לאורך השעות שלאחר מכן. כפי שניתן לראות בתרשים 6, מכשירים מלוכדים תרמית בסיוע הפלזמה הראו אובדן משמעותי של כיסוי אג"ח במהלך 48 שעות בתוך חממת תא, ואילו מכשירים מלוכדים ממס לא הראו שינויים.
כאן, אנו תארנו פרוטוקול פשוט, יעיל, כי מסתמך על מליטה ממסה מבוסס נוזל להשיג אג"חי איכות עבור PMMA והתקני microfluidic COP. התוצאות שלנו הראו כי צעדים ספציפיים PMMA מליט COP יובילו אג"ח חזק ברור אופטי עם עיוות זניחה של microfeatures, וכי שימוש חריצים וחומרת יישור יכול לעקוף בעיות ומעשיות משותפות במהלך ההליך המליט הממס. שילוב שיטה זו לתוך תהליך הייצור יהיה להאיץ את הפיתוח של PMMA והתקני microfluidic מבוסס COP, ולאפשר לחוקרים יותר בקלות לאמץ תרמופלסטיים לתוך עיצובי מכשיר microfluidic שלהם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
אנו מכירים תמיכה כספית מן למדעי הטבע וההנדסה מועצת המחקר של קנדה (NSERC, # 436,117-2013), האגודה לחקר הסרטן (CRS, # 20,172), מיאלומה קנדה, וגראנד אתגרים קנדה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| Hot plate(s) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used. |
| Free weights | Cap Barbell | RPG#2 | Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used. |
| Heated press | Carver | Auto CH | Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not). |
| CNC Milling Machine | Tormach | PCNC 770 | 3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used. |
| Endmills | Various | Various | Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used. |
References
- 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).
