Summary
الرابطة المذيبات هي طريقة بسيطة وتنوعا في تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك بالحرارة مع السندات ذات جودة عالية. وصفنا بروتوكول لتحقيق والسندات واضحة بصريا قوية في PMMA والأجهزة ميكروفلويديك الأطراف التي تحفظ تفاصيل microfeature، من خلال مزيج حكيم من الضغط ودرجة الحرارة، مذيب مناسب، والهندسة الجهاز.
Abstract
أجهزة ميكروفلويديك بالحرارة توفر العديد من المزايا أكثر من تلك المصنوعة من اللدائن سيليكون، ولكن يجب وضع إجراءات الربط لكل بالحرارة من الفائدة. الرابطة المذيبات هو طريقة بسيطة ومتعددة الاستخدامات التي يمكن استخدامها لصنع أجهزة من مجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية. يضاف مذيب مناسب بين طبقتين الجهاز ليكون الرهينة، ويتم تطبيق الحرارة والضغط على الجهاز لتسهيل الترابط. باستخدام توليفة مناسبة من المذيبات، والبلاستيك، والحرارة، والضغط، والجهاز يمكن أن تكون مختومة مع السندات ذات جودة عالية، وتتميز بأنها تغطية عالية السندات، وقوة السندات والوضوح البصري، ومتانة مع مرور الوقت، وانخفاض تشوه أو تلف microfeature الهندسة. نحن تصف الإجراء لأجهزة الربط المصنوعة من اثنين من اللدائن الحرارية الشعبية، وبولي (ميثيل ميتاكريليت) (PMMA)، وسيكلو الأوليفين البوليمر (COP)، فضلا عن مجموعة متنوعة من الطرق لوصف نوعية الروابط التي تظهر، واستراتيجيات لتروbleshoot السندات ذات جودة منخفضة. هذه الطرق يمكن استخدامها لتطوير بروتوكولات الربط المذيبات جديدة لأنظمة أخرى البلاستيك المذيبات.
Introduction
برزت على microfluidics على مدى السنوات العشرين الماضية كتقنية مناسبة تماما لدراسة الكيمياء والفيزياء في الميكروسكيل 1، ومع الوعد المتزايد للمساهمة بشكل كبير في أبحاث البيولوجيا 2-4. تاريخيا جعل معظم أجهزة ميكروفلويديك من بولي (dimethylsiloxane) (PDMS)، والمطاط الصناعي السيليكون التي هي سهلة الاستخدام وغير مكلفة، ويوفر جودة عالية تكرار ميزة 5. ومع ذلك، فقد PDMS أوجه القصور موثقة جيدا ويتنافى مع ارتفاع حجم تلفيق عمليات 6،7، وعلى هذا النحو، كان هناك اتجاه متزايد نحو تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك من المواد بالحرارة، بسبب قدرتها على التصنيع الشامل، وبالتالي تسويقها.
واحدة من العوائق الرئيسية لنطاق أوسع من التصنيع الدقيق البلاستيك وقد تم تحقيق سهلا، والترابط عالية الجودة من الأجهزة البلاستيكية. الاستراتيجيات الحالية توظف رhermal، لاصق، وتقنيات الربط المذيبات، ولكن الكثير يعاني من تحديات كبيرة. ارتباط حراري يزيد من تألق ذاتي 8، وغالبا ما يشوه هندستها متناهية 9-11، في حين تتطلب تقنيات لاصقة الإستنسل، والمحاذاة دقيقة، وترك في نهاية المطاف سمك لاصقة تتعرض لمتناهية 10. الرابطة المذيبات جذابة نظرا لبساطته، tunability، وانخفاض تكلفة 10،12 - 14. على وجه الخصوص، tunability لها تمكن الأمثل لمجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية، والتي يمكن أن تسفر عن ثابت، والترابط عالية الجودة التي تقلل من تشوه microfeatures 14.
خلال الترابط المذيبات، والتعرض المذيبات يزيد من التنقل من سلاسل البوليمر بالقرب من سطح البلاستيك، والتي تمكن المشترك بين انتشار سلاسل عبر واجهة الربط. هذا يسبب تشابك عبر المتشابكة الميكانيكية للسلاسل نشرها، ويؤدي إلى ا ف بالسندات hysical 10. ارتباط حراري يعمل بطريقة مماثلة، ولكن يعتمد على درجة حرارة مرتفعة وحده لزيادة التنقل السلسلة. وهكذا، وتتطلب الطرق الحرارية درجات حرارة قريبة أو أعلى من التحول الزجاجي من البوليمر، في حين أن استخدام المذيبات يمكن أن تقلل بشكل كبير من درجة الحرارة اللازمة للترابط، وبالتالي تقلل من تشوه غير المرغوب فيها.
ونحن نقدم بروتوكول معين لتربط كلا PMMA والأجهزة مؤتمر الأطراف. ومع ذلك، يصف هذا البروتوكول وسيلة لذلك، نهج عام بسيط للارتباط المذيبات الأجهزة ميكروفلويديك الحرارية التي يمكن أن تكون مصممة لمواد أخرى من البلاستيك، والمذيبات، والمعدات المتوفرة. وصفنا طرق عديدة لتقييم نوعية السندات (على سبيل المثال، وتغطية السندات، وقوة السندات والمتانة السندات، وتشوه هندستها microfeature)، وتقديم نهج استكشاف الأخطاء وإصلاحها لمعالجة هذه التحديات المشتركة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
لاحظ أن كل الخطوات الموضحة أدناه تم وضعها وتنفيذها في بيئة غير غرف الأبحاث. يمكن بالتأكيد أن يتم تنفيذ الخطوات الترابط المذيبات في غرف الأبحاث، إن وجدت، ولكن هذا غير مطلوب.
1. إعداد الطبقات جهاز الحراري ميكروفلويديك
- تصميم وتصنيع طبقات جهاز ميكروفلويديك من لدن الاختيار، باستخدام أسلوب تلفيق المناسب (على سبيل المثال، micromilling 15، النقش 16-18، حقن صب).
- تفقد البصر طبقات الجهاز للتأكد من أن حواف "نظيفة" (أي، لا نتوءات أو التلال من بقايا المواد من عملية التصنيع). للحصول على أفضل النتائج، تحقق من كل الحواف ميزة الدقيقة تشكيله بالإضافة إلى حواف خارج الجهاز تحت المجهر الضوئي.
- إذا تم العثور على بقايا المواد خلال التفتيش البصري، واستخدام شفرة حلاقة أو مشرط لإزالة بعناية أي حصيرةيريال يمنع طبقات الجهاز من الاستلقاء ضد بعضها البعض بحيث اجهات طبقات حيز امتثالي للإتصال به.
- السطوح جهاز نظيف مع الصابون المختبرات والمياه والجافة مع الهواء المضغوط. غمر طبقات الجهاز في 2-بروبانول لمدة 2 دقيقة والجافة مع الهواء المضغوط.
2. الربط المذيبات
- إعداد الصحافة ساخنة (لPMMA) أو موقد (لمؤتمر الأطراف).
- لPMMA (يلقي الاكريليك، ودرجة حرارة التحول الزجاجي من ~ 100-110 درجة مئوية) 18 سخن الصحافة إلى 70 درجة مئوية، وتسمح درجة الحرارة لتحقيق الاستقرار.
- لمؤتمر الأطراف (درجة حرارة التحول الزجاجي من 102 درجة مئوية، من الشركة المصنعة)، سخن موقد إلى 25 درجة مئوية، وتسمح درجة الحرارة لتحقيق الاستقرار.
- إعداد مذيب لعملية الربط.
- لPMMA، وقياس 0.5 مل من الايثانول لكل بوصة مربعة من منطقة الترابط.
- لمؤتمر الأطراف، وإعداد 65:35 خليط من 2-بروبانول والهكسان الحلقي وخفة الظلهكتار إجمالي حجم 0.5 مل من الخليط لكل بوصة مربعة من منطقة الترابط.
ملاحظة: للحصول على الأطراف، واستخدام ماصات زجاج والحاويات، والهكسان الحلقي سيحل المختبرات البولي بروبلين المشترك. أداء جميع الاختلاط والترابط في غطاء الدخان، والهكسان الحلقي هي سامة.
- الاستغناء عن 0.1 مل من المذيب لكل بوصة مربعة من منطقة الترابط بين الطبقات البلاستيكية وتنظيفها وتقديم طبقات معا. تفقد البصر لفقاعات الهواء في واجهة الربط، التي هي مشتركة، ويجب إزالة أكبر قدر ممكن.
ملاحظة: ومن المفيد للعمل بسرعة حالما يتم الاستغناء عن المذيبات، كما ستبدأ المذيبات الطيارة لتتبخر (وبالتالي، سوف خلطات المذيبات تغيير في التركيب).- إذا فقاعات موجودة، حرك الطبقات البلاستيكية اثنين على طول واجهة الربط بحيث تأتي تقريبا بصرف النظر (ولكن البقاء على اتصال)، ثم حرك لهم معا مرة أخرى.
- محاذاة طبقات من الجهاز مع دبابيس المحاذاة،رقصة العرف، أو ببساطة عن طريق اليد (انظر القسم مناقشة لمزيد من التفاصيل).
- إذا باستخدام دبابيس المحاذاة، محاذاة ثقوب الدبابيس، وإدراج دبابيس في كومة الجهاز.
- في حالة استخدام العرف تهزهز، إدراج كومة الجهاز في رقصة وتشديد حول الجهاز.
- إذا مواءمة باليد، واستخدام الأصابع لمحاذاة الحواف الخارجية للجهاز.
- وضع الجهاز مع المذيب إلى الصحافة قبل ساخنة (لPMMA) أو على موقد قبل ساخنة (لمؤتمر الأطراف).
- لPMMA، تطبيق 2300 كيلو باسكال الضغط لمدة 2 دقيقة.
- لمؤتمر الأطراف، وتطبيق 350 كيلو باسكال الضغط. زيادة درجة الحرارة من 25 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية بمعدل 5 ° C / دقيقة. بعد أن وصلت 70 درجة مئوية (بعد 9 دقائق)، السندات لمدة 15 دقيقة إضافية.
- استخدام ملاقط لإزالة بأمان الجهاز الساخن للتفتيش. الرابطة اكتمال الآن.
- إزالة أي السائل المتبقي في الجهاز (في microchannels أو غيرها من الملامحالخانات).
- لPMMA، وإزالة أي السائل المتبقي مع الهواء المضغوط. لمؤتمر الأطراف، ووضع جهاز المستعبدين على موقد وتخبز في 45 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لإزالة أي الهكسان الحلقي المتبقية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويرد التخطيطي لإجراء الربط المذيبات العام في الشكل 1. أسهل طريقة لتقييم جودة السندات هي لتفقد البصر تغطية السندات، منذ الفقيرة تغطية السندات مرئيا بسهولة عن مناطق من البلاستيك الغير مرتبطة، ومؤشرا على ضعف الترابط. هذه المناطق عادة ما تكون الحواف الحرة قرب (على سبيل المثال، محيط الجهاز، أو بالقرب من المنافذ المفتوحة أو microchannels)، ويمكن أيضا أن تظهر في كثير من الأحيان حول أي جزيئات الغبار أو التراب في واجهة الربط. وعادة ما ينظر تغطية السندات الفقيرة بسبب ضعف الترابط خلال مرحلة التطوير البروتوكول، قبل أن يتم العثور على شروط التكوين والترابط المذيبات المثلى، وتظهر الأمثلة في الشكل 2A. عادة، تشير إلى ضعف الترابط الحاجة إلى واحد أو أكثر من: (ط) مذيب أكثر عدوانية (أي حل تركيز أعلى، أو مذيب آخر)، (ب) درجة حرارة أعلى الترابط، و (ج) من الترابط أعلى العلاقات العامةessure.
على العكس من ذلك، يمكن أن الظروف الترابط العدوانية يؤدي إلى تغطية السندات الممتازة مع قوة السندات عالية، لكنها ألحقت أضرارا أيضا أو microfeatures مختومة، كما هو مبين في الشكل 2B. هذا هو في معظم الأحيان يرجع إلى المذيب يجري عدوانية جدا، على الرغم من ارتفاع في درجة الحرارة (يقترب من درجة حرارة التحول الزجاجي من البلاستيك) يمكن أيضا أن يسبب تشوه كبير.
وذات جودة عالية، جهاز المستعبدين جيدا على حد سواء تغطية السندات جيدة والحد الأدنى من تشوه microfeatures، كما هو مبين في الشكل 2C. اعتمادا على المذيب ودرجة الحرارة في الاختيار، وأنه قد يكون من الصعب تحقيق تغطية السندات جيدة قرب حواف خالية من الجهاز إذا كان المذيب متقلبة جدا، وبالتالي يتبخر بسرعة. في هذه الحالات، مضيفا microgrooves صغيرة لتصميم الجهاز، وعلى طول حواف الفائدة، ويمكن أن تساعد في تخفيف تبخر المذيبات، وبالتاليتحسين تغطية السندات، كما هو مبين في الشكل 2D. ونحن عادة استخدام الأخاديد مع أبعاد مستعرضة من 500 × 500 ميكرون، وضعت 300 ميكرون من الحافة. 14
بالإضافة إلى الفحص البصري العام لتغطية السندات، وينبغي أن تستخدم اختبارات على حد سواء المدمرة وغير المدمرة لمزيد من التحقيق جودة السندات والضرر microfeature. اختبارين المدمرة التي هي مفيدة خلال مرحلة التطوير البروتوكول هي (ط) عبر باجتزاء و (ب) التوتيد أجهزة المستعبدين على حدة، لتقييم هندسة microfeature وقوة السندات، على التوالي. نحن نفضل استخدام micromilling لقسم الأجهزة لدينا، كما نجد هذا يقدم مزيج جيد من الراحة والدقة، والسطوح نظيفة نسبيا. في حالة عدم وجود آلة طحن مناهج أخرى يمكن استخدامها، على الرغم من أنها سوف تشكل تحديات مختلفة. وتشمل الأمثلة قطع مع منشار الماس أو رأى الفرقة (يترك السطوح الخشنة)، التقاط بعنايةجهاز على طول خطوط سجل (يمكن أن يكون صعبا نظرا لسماكة، وإجهاد القص قد يسبب الجهاز لdelaminate)، أو ببساطة الرملي بعيدا جزء من الجهاز (تستغرق وقتا طويلا). السطوح الخشنة من القطع يمكن ممهدة مع الصنفرة.
مهما كانت الطريقة المستخدمة، ينبغي مقطوع أجهزة عمودي على microfeatures من الفائدة، ويمكن أن تفقد البصر باستخدام المجهر الضوئي. فإن حجم وشكل microfeature عبر أقسام تشير إلى مقدار التشوه حدث بسبب الترابط. والمذيبات أقل عدوانية، وانخفاض درجات الحرارة والضغط، والحفاظ على أفضل زوايا حادة والجدران على التوالي، بينما ظروف أكثر عدوانية سوف يسبب التقريب من الزوايا والجدران، وكذلك انخفاض في مساحة المقطع العرضي بسبب البوليمر التورم. وتظهر الصور من النتائج نموذجية في الشكل (3).
قوة السندات يمكن قياس جزئيلاي التوتيد بصرف النظر طبقات المستعبدين مع الرقائق وقياس المسافة من حافة الرقاقة إلى حافة المنطقة التبطين. ويمكن حساب قوة السندات من هذه المسافة، وسمك الطبقات والرقائق، ومعامل المرونة من البلاستيك. 14،19 إذا كانت قيمة قوة السندات محددة ليست مهمة، التوتيد طبقات يوفر بصرف النظر عن طريقة النوعي لتقييم ما إذا كانت السندات قوي بما فيه الكفاية لقوات النموذجية وسوف التعامل مع الجهاز تواجهها أثناء التجارب.
الاختبارات غير المدمرة مفيدة للتحقق من نوعية الجهاز أثناء تركها صالحة للاستعمال للغرض المقصود. وهناك طريقة بسيطة ومفيدة هو لتفقد عن طريق المجهر، مع التركيز في المقام الأول على تغطية السندات قرب حواف microfeature، أو في مناطق الترابط صغيرة. المناطق الغير مرتبطة تبدو أغمق قليلا من المناطق المقيد بسبب فجوة الهواء رقيقة بين طبقات من البلاستيك، وكما هو مبين في الشكل (4) </ قوي>، يجب أن يكون ملحوظا من قبل تفتيش دقيق مع المجهر. يمكن العثور على مناطق من البلاستيك الغير مرتبطة مساعدة توجيه التكرار الثاني من الرابطة المحلية لختم أجزاء هامة من الجهاز قبل الاستخدام.
وهناك تقنية مفيدة لتحقيق روابط قوية مع مذيب العدوانية، ولكن مع التقليل من الأضرار التي لحقت microchannels، هو إضافة الأخاديد مع منافذ الوصول إلى تصميم الجهاز، وإلا إضافة المذيب إلى الأخاديد (بدلا من اغراق سطح الترابط مع المذيبات). وهذا يقلل إلى حد كبير الاتصال بين متناهية والمذيب السائل (بخار لا يزال يدخل متناهية)، وبالتالي يقلل من تشوه كما هو مبين في الشكل (5).
اعتمادا على التطبيق الجهاز المقصود، قد يكون مطلوبا اختبار متانة على المدى الطويل. على سبيل المثال، تستخدم العديد من أجهزتنا لإجراء تجارب بيولوجية، ويمكن أن تتواجد في ENVI الخلية الحاضنةاجلنوبية (37 درجة مئوية، الرطوبة 100٪) لمدة تصل إلى عدة أسابيع. المتانة ويمكن تقييم عن طريق وضع أجهزة اختبار في الشروط المطلوبة لمدة المطلوبة، وتفقد بعد ذلك لانخفاض البصرية في تغطية السندات (التبطين من الجهاز)، أو ضعفت قوة السندات التي تسمح للجهاز مثبتة بسهولة بعيدا. وتظهر الأمثلة في الشكل (6)، وتشير إلى ضرورة تعديل الإجراء الترابط لتحقيق أعلى قوة السندات.
الشكل 1: رسم تخطيطي لعملية الربط. وأظهرت عملية التسنيد المذيبات العامة. يضاف مذيب السائل بين طبقتين جهاز بالحرارة ليكون الرهينة. يتم إحضارها طبقات معا وتتم إزالة فقاعات من السائل في واجهة الربط. يتم تطبيق الضغط والحرارة إلى الجهاز لمدة المطلوبة، والجهاز المستعبدين كاملة. أي إعادةويمكن إزالة السائل املتبقي من المنافذ المفتوحة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: أمثلة البصرية متفاوتة بوند الجودة. (أ) تحديا مشتركا مع العديد من الطرق الرابطة المذيبات السائلة هو أن التبخر السريع يحدث قرب حواف خالية من الجهاز أثناء الخطوة الترابط ساخنة بسبب المذيبات التقلبات. هذا غالبا ما يؤدي إلى مناطق من المواد الغير مرتبطة بالقرب من هذه الحواف، مما أدى إلى ضعف التغطية السندات، وميزات ميكروفلويديك تتسرب منها المياه، وانخفاض قوة السندات العامة. هذه المناطق مرئية بقع أخف وزنا مع هامش التدخل الملونة (الأسهم الصفراء). (ب) على العكس من ذلك، العدوانية عائدات الترابط المذيبات تغطية سندات ممتازة، ولكن يمكن أيضا أن يسبب دارنا كبيرجنرال الكتريك لmicrofeatures، وبالتالي تشويه أو اغلاق قنوات الجهاز (الأسهم الصفراء). (ج) تحسين نظام المذيب البلاستيك يحقق تغطية السندات جيدة وقوة، ويقلل من الأضرار التي لحقت microfeatures في حين لا يزال الختم بشكل صحيح. (د) في بعض الحالات، مضيفا الاحتفاظ المذيبات الأخاديد موازية لحواف الجهاز (السهم الأصفر) يمكن أن تساعد في تحسين تغطية السندات وختم microfeatures بشكل صحيح. قد تكون هناك حاجة الأخاديد إذا كان المطلوب تغطية السندات أفضل، ولكنه أمر غير مرغوب فيه لزيادة قوة المذيبات (بسبب ما ينجم عن ذلك زيادة الأضرار التي لحقت microfeatures). الحانات النطاق = 1 مم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): المقاطع العرضية للأجهزة الاستعبادي. والمذيبات كاليفورنيا عملية التسنيد ن تشوه microfeatures إذا المذيب هو عدوانية جدا، أو إذا كانت درجة الحرارة الترابط أو ضغط مرتفعة جدا. سوف تفقد المقاطع العرضية للأجهزة المستعبدين تكشف حوادث تشوه microfeature. يمكن إجراء عمليات التفتيش لكل نظام البلاستيك المذيبات محددة تساعد على إقامة أفضل المعايير لتحقيق الجودة متناهية المطلوب. وتظهر الصور التمثيلية للالمقاطع العرضية للقناة 500 ميكرون PMMA مربع المستعبدين مع ذلك مناسبا (يسار) والعدوانية (يمين) خليط من المذيبات. مؤشرين لمدى التشوه الناجم عن المذيبات هي التقريب من زوايا وجدران مستقيمة، وسمك طبقة المذيبات الغنية من البلاستيك في السطوح التي كانت على اتصال مع المذيب (الأسهم الصفراء). شريط مقياس = 200 ميكرون. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
"1"> 
الشكل 4: التفتيش غير المدمرة عبر الميكروسكوب. تفتيش دقيق مع المجهر الضوئي يمكن تحديد المناطق من البلاستيك الغير مرتبطة، لا سيما بالقرب من حواف microfeature، أو في مناطق الترابط صغيرة. المناطق الغير مرتبطة (الأسهم الحمراء) ويبدو أغمق قليلا من المناطق المقيد بسبب فجوة الهواء رقيقة بين طبقات من البلاستيك، وهامش تدخل الملونة في بعض الأحيان واضحة في هذه المناطق أيضا. يمكن تحديد مناطق ضعف الترابط تشير إلى الحاجة إلى التكرار الثاني من الترابط، مع المذيبات وأضاف محليا الى المناطق المضطربة. شريط مقياس = 1 مم.
الرقم 5: تقليل الأضرار التي لحقت القنوات التي كتبها إضافة المذيبات فقط إلى الأخاديد. تظهر صورة المجهر قطاعا عريضا من قناة PMMA تحيط من قبل اثنين من الأخاديد. المذيبات يمكن أن تضاف إلى groovوفاق في حين يتم الضغط على طبقات جهاز اثنين معا، بدلا من الفيضانات واجهة الربط مع المذيب. هذا يقلل إلى حد كبير الاتصال المذيبات مع داخل متناهية، وبالتالي تقلل من تشوه المذيبات التي يسببها. هذه الطريقة مفيدة عند الحاجة مذيب العدوانية لضمان قوة السندات العالية والتغطية، ولكن الاتصال بين المذيب وmicrochannels يحتاج إلى أن يكون الحد الأدنى. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: المتانة والمقارنة مع (البلازما بمساعدة) الربط الحراري. الرابطة المذيبات (A) ينتج نوعية أفضل السندات من الترابط بمساعدة البلازما الحرارية (ب) أو ارتباط حراري التقنيات (C)، وأيضا تحسين المتانة في الخليةشروط الحاضنة (37 درجة مئوية، الرطوبة 100٪). كل من التقنيات الحرارية ترك روتيني "هالات" كبيرة من microfeatures البلاستيك المحيطة الغير مرتبطة، مع ارتباط حراري بمساعدة البلازما كونها أفضل من ارتباط حراري منتظم. تتحلل هذه السندات أيضا مع مرور الوقت، مع المناطق الغير مرتبطة تنمو في الحجم. بينما أظهر المذيبات جهاز COP المستعبدين أي تغيير في الرابطة أكثر من 48 ساعة في حاضنة (A)، وجهاز البلازما الحرارية المستعبدين delaminated تماما (B). بدأ الجهاز المستعبدين الحراري العادي لdelaminate في غضون 10 دقيقة في الظروف المحيطة (C)، وأيضا delaminated تماما في الحاضنة. الحانات النطاق = 5 ملم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| البلاستيك | مذيب | | الضغط (باسكال) | مدة (دقيقة) | الملاحظات | | ||
| PMMA | الإيثانول بنسبة 100٪ | 70 | 2300 | 2 | الخيار الأفضل إذا صحافة ساخنة متاح (مطلوب لارتفاع ضغط). ينتج باستمرار تغطية ممتازة السندات (دون استخدام الأخاديد الاحتفاظ المذيبات)، مع تشوه انخفاض microfeatures. يتطلب مذيب القليل جدا، وغير حساس جدا إلى فقاعات والغبار / التراب في واجهة الربط بسبب ارتفاع الضغط. | ||
| PMMA | 75٪ الأسيتون / 25٪ المياه | 40 | 30 | 20 | الاتساق أدنى من الأسلوب أعلاه وقتا أطول، ولكن لا يتطلب الصحافة ساخنة (يمكن القيام به مع موقد والأوزان الحرة). وساعد تغطية السندات إلى حد كبير عن طريق استخدام الأخاديد الاحتفاظ المذيبات. | ||
| شرطي 35٪ الهكسان الحلقي / 65٪ 2-بروبانول | 25 -> 70 * | 350 | 15* | لقد وجدنا أن ما قبل التسخين موقد يسبب الكثير من التبخر الأولي، ويؤدي أيضا إلى تبييض من البلاستيك. بدلا من ذلك، نضع الجهاز على موقد درجة حرارة الغرفة ثم زيادة درجة الحرارة إلى 70 درجة مئوية (نسبة المنحدر من 5 ° C / دقيقة). بعد تستقر درجة الحرارة عند 70 درجة مئوية (في 9 دقائق)، ونحن السندات في درجة الحرارة هذه لمدة 15 دقيقة إضافية. | |||
الجدول 1: معلمات الرابطة المذيبات. ملخص من مجموعات من البلاستيك، والمذيبات، ودرجات الحرارة، والضغوط من أجل PMMA ومؤتمر الأطراف بروتوكول الرابطة المذيبات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
جدوى الاستراتيجيات الترابط المحتملة يعتمد على المعدات المتاحة. في حين سخانات شائعة نسبيا والأوزان الحرة يمكن شراؤها بتكلفة زهيدة، واستراتيجيات ارتفاع ضغط تتطلب استخدام الصحافة ساخنة. على سبيل المثال، لدينا أفضل PMMA الترابط وصفة تتطلب ارتفاع ضغط على السندات مع الإيثانول (انظر الجدول 1)، والضغط المطلوب لا يمكن تحقيقه بالنسبة للأحجام جهاز نموذجية باستخدام الأوزان الحرة. وبالتالي، إذا هي فقط موقد والأوزان المتاحة، PMMA يمكن بدلا من ذلك بالارتباط مع مذيب مختلفة (75٪ الأسيتون في الماء). بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام المذيبات التي تتطلب غطاء الدخان قد يحد أيضا جدوى، وخاصة إذا كانت هناك حاجة الضغوط العالية، ومثل هذه الاستراتيجيات يتطلب كلا من استخدام الصحافة ساخنة والحاجة لتناسب الصحافة داخل غطاء الدخان. ويمكن لهذه الاعتبارات تساعد في توجيه الخيارات المذيبات عند وضع أنظمة المذيبات البلاستيكية الجديدة، مع إعطاء الأفضلية للمذيبات أقل ضررا وانخفاض ضغطالصورة التي لا تزال توفر الترابط ذات جودة عالية.
بعد أن تم تحسين طريقة الربط مذيب للمن البلاستيك معين، قد يكون هناك التحديات المتبقية مع تغطية السندات الفقيرة قرب حواف الجهاز، نتيجة لآثار التبخر خلال عملية الربط. كما هو مذكور في القسم ممثل النتائج، استراتيجية واحدة التي يمكن أن تخفف هذه القضايا هو إضافة أخدود الاحتفاظ المذيبات التي تمتد موازية لحواف الفائدة (أي الحافة الخارجية للجهاز، وجنبا إلى جنب مع أي قنوات أو المنافذ التي تظهر عادة صعوبة الربط). بالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة اثنين أو أكثر من الموانئ من خلال ثقب في كل أخدود (و / أو الأخاديد يمكن توصيل)، ان هذه المذيبات يمكن أن تضاف مباشرة إلى الأخاديد مع ماصة. هذا وقد اثنين من الاستخدامات المحتملة: (أ) يمكن أن تضاف إلى الأخاديد بدلا من الفيضانات واجهة الربط، مما يقلل إلى حد كبير الاتصال بين المذيب وجدران و microchannels (انظر الشكل 5) المذيبات،و (ب) إذا كانت محاولة أولية في الرابطة يترك بعض المناطق مع تغطية السندات الفقيرة، أكثر المذيبات يمكن أن تضاف محليا لاجراء جولة ثانية من الرابطة، والتي غالبا ما يطبع أي المناطق الحرجة المتبقية حول microfeatures. ومن الجدير بالذكر أن الأخاديد يمكن أن تضاف إلى وقت تلفيق، ونظرا لأنها تأخذ مساحة على الجهاز، قد لا تكون قابلة للبعض التصاميم ذات الكثافة السكانية العالية.
واحد تحديا مشتركا مع استراتيجيات الترابط هو المواءمة بين طبقات الجهاز أثناء الترابط. عدة استراتيجيات ممكنة، اعتمادا على متطلبات الدقة. إذا المحاذاة ليست حرجة (أي، إذا كان كل microfeatures هم على طبقة واحدة، والتي المستعبدين من طبقة الركيزة الأساسية مسطحة)، ثم محاذاة الخط باليد كافية. للحصول على متطلبات التوافق أكثر تطلبا، قد تكون محاذاة ناحية لا يزال كافيا، على الرغم من أن هذا يعتمد إلى حد ما على مهارة الباحث الفردية. يمكننا تحقيق روتيني دقة المحاذاة لمسافة 100 ميكرون، وقرارات ذكيةفي جهاز التصميم يمكن الاسترخاء متطلبات دقة المحاذاة (أي من خلال تصميم التحمل في microfeatures الجهاز إن أمكن، بحيث اختلالات طفيفة لا تؤثر على أداء الجهاز). وهناك تقنية مفيدة للمساعدة في محاذاة ناحية هو استخدام المذيبات أقل قدر ممكن لتغطية سطح الترابط. مع كميات كبيرة من المذيبات، وطبقات من البلاستيك "تعويم" على طبقة رقيقة من السائل، وليس الحفاظ على اتساقها عندما يتم نقل الجهاز إلى موقد أو اضغط ساخنة. في المقابل، طبقة رقيقة جدا من المذيبات تساعد على "العصا" الطبقات البلاستيكية معا والحفاظ على محاذاة بعد تعديلها من قبل جهة.
إذا كنت بحاجة محاذاة أكثر دقة، وتشمل الاستراتيجيات الممكنة بين قوسين زاوية على شكل حرف L لعقد طبقات جهاز معا، ودبابيس المحاذاة التي تمر عبر طبقات الجهاز، وذلك باستخدام الشريط على السطح الخارجي للجهاز لتأمين وظائف طبقة، أو الرقص المدمج مخصصة يمكن أن تعقد ركان الجهاز أثناء الخطوة الترابط. لجميع هذه الاستراتيجيات، لاحظ أن الأجهزة محاذاة يجب أن يكون عادة أقصر من ارتفاع إجمالي كومة من الجهاز بحيث ضغط يمكن تطبيقها على الوجه للجهاز خلال الترابط.
والتحدي الذي يواجه الرابطة المذيبات هو عادة وليس العرض، ولكن عمق microchannels لmicrochannels الضحلة يمكن انهار بواسطة مذيب عدوانية أو بسبب ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفرط والضغوط. لعمق معين، قنوات أوسع هي أكثر عرضة للانهيار مما قنوات ضيقة. على الرغم من أننا لم ملفقة قنوات أقل من 50 ميكرون في العرض (بسبب القيود المفروضة على لدينا آلة الطحن CNC التي تحد من الحد الأدنى لقطر endmill يمكننا استخدام)، قمنا المستعبدين بشكل روتيني القنوات التي تفصل بينها مسافات بناء على أمر من 25 ميكرون. من حيث العمق، لدينا أيضا الرهينة بنجاح قنوات ضحلة جدا (~ 15 ميكرون) باستخدام هذا الأسلوب.
وأخيرا، مقارنةمن الطور السائل هناك ما يبرر الربط المذيبات لتقنيات الربط الأخرى. ثلاث تقنيات الربط المشترك الأخرى هي مرحلة البخار الترابط المذيبات، الحراري الرابطة نشرها، وبمساعدة البلازما الحرارية الترابط نشرها. مرحلة البخار سهم الرابطة المذيبات العديد من خصائص الطور السائل الترابط المذيبات، ولكن هي في تجربتنا أكثر صعوبة في أداء وأقل الانضباطي، مما يؤدي إلى نتائج أقل اتساقا. تطبيق المذيبات في مرحلة البخار يتطلب إما فراغ الغرفة أو غرفة البخار مع حامل الجهاز، ونجد أن العملية هي أقل يمكن السيطرة عليها من استخدام السائل. وبالإضافة إلى ذلك، وتقنيات مرحلة البخار نادرا ما تكون قابلة للاستخدام مع خليط من المذيبات، منذ ما يقرب من جميع خليط غير قابلة للازوتروبيه، وبالتالي سوف تتغير تركيبتها من السائل إلى الحالة الغازية، وهذا يتوقف على الضغط المحيط ودرجة الحرارة.
ويشمل الحراري نشر الترابط الضغط على طبقات جهاز معا في درجة حرارة مرتفعة بالقرب من درجة حرارة التحول الزجاجي(T ز) من البلاستيك. ارتفاع في درجة الحرارة يزيد من البوليمر سلسلة التنقل، مما يسمح سلاسل لinterdiffuse عبر واجهة الربط وتشكل السندات. 10 ومع ذلك، لأن يتم تسخين الجهاز بأكمله إلى نفس درجة الحرارة، وتزداد سلسلة التنقل في كل مكان، وmicrofeatures تصبح مشوهة وتقريب 9،10. وهكذا، وزيادة قوة السندات (بسبب ارتفاع درجة حرارة الربط) يأتي في التكلفة المباشرة من الأضرار التي لحقت microfeatures. واحد تعديل ارتباط حراري هو استخدام العلاج قبل الرابطة سطح الأكسجين البلازما، مما يقلل من المحليين (السطحية) تي ز من البوليمر 20. وبالتالي هذا ارتباط حراري بمساعدة البلازما يمكن الربط تحدث في درجات حرارة منخفضة، بعيدا عن الجزء الأكبر تي ز. في حين أن هذا لا يقلل من كمية من تشويه لmicrofeatures بالمقارنة مع ارتباط حراري، وجدنا أن تغطية السندات الأولية والقوة لا تزال أقل بكثير بالمقارنة مع المذيبات الترابط، والتراسل الفوريportantly، السندات تتحلل خلال ساعات لاحقة. كما هو مبين في الشكل (6)، وأظهرت أجهزة المستعبدين الحرارية بمساعدة البلازما خسائر كبيرة في تغطية السندات أكثر من 48 ساعة في حاضنة الخلية، في حين أظهرت أجهزة المستعبدين المذيبات أي تغييرات.
هنا، وصفنا لذلك، بروتوكول كفاءة بسيط يعتمد على الترابط المذيبات القائم سائل لتحقيق السندات نوعية لPMMA والأجهزة ميكروفلويديك الأطراف. وأظهرت النتائج التي توصلنا إليها خطوات محددة لPMMA، وارتباط الأطراف سيؤدي إلى روابط قوية وواضحة بصريا مع تشويه ضئيلة من microfeatures، والتي تستخدم من الأخاديد والأجهزة محاذاة يمكن الالتفاف على القضايا العملية المشتركة أثناء إجراء الرابطة المذيبات. وتتضمن هذه الطريقة في عملية تصنيع تسريع تطوير PMMA والأجهزة ميكروفلويديك القائم على الأطراف، وتمكين الباحثين من تبني اللدائن الحرارية بسهولة أكبر إلى تصاميم جهاز ميكروفلويديك بهم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب تعلن أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.
Acknowledgments
ونحن نعترف بدعم مالي من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC، # 436117-2013)، وجمعية أبحاث السرطان (CRS، # 20172)، المايلوما كندا، والتحديات الكبرى كندا.
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.
- 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).
