Summary
collage par solvant est une méthode simple et polyvalent pour la fabrication de dispositifs microfluidiques thermoplastiques avec des liaisons de haute qualité. Nous décrivons un protocole pour obtenir des liens solides, optiquement transparents en PMMA et dispositifs microfluidiques de la COP qui préservent les détails de microcaractéristiques, par une combinaison judicieuse de la pression, la température, un solvant approprié, et la géométrie de l'appareil.
Abstract
dispositifs microfluidiques thermoplastiques offrent de nombreux avantages par rapport à ceux fabriqués à partir d'élastomères de silicone, mais les procédures de liaison doivent être développées pour chaque thermoplastique d'intérêt. collage par solvant est une méthode simple et polyvalent qui peut être utilisé pour fabriquer des dispositifs à partir d'une variété de matières plastiques. Un solvant approprié est ajouté entre deux couches de dispositif à coller et à la chaleur et la pression sont appliquées au dispositif pour faciliter le collage. En utilisant une combinaison appropriée de solvant, le plastique, la chaleur et la pression, le dispositif peut être scellé avec une liaison de haute qualité, caractérisé comme ayant une couverture de liaison élevée, la force de liaison, la clarté optique, la durabilité au fil du temps, et une faible déformation ou des dommages à microdétail géométrie. Nous décrivons la procédure pour les dispositifs de liaison fabriqués à partir de deux matières thermoplastiques populaires, le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA), et des polymères de cyclo-oléfine (COP), ainsi que d'une variété de méthodes pour caractériser la qualité des obligations résultant, et des stratégies à troubleshoot obligations de faible qualité. Ces méthodes peuvent être utilisées pour développer de nouveaux protocoles de collage par solvant pour d'autres systèmes en plastique-solvant.
Introduction
Microfluidique a émergé au cours des vingt dernières années comme une technologie bien adaptée pour l' étude de la chimie et de la physique à l' échelle microscopique 1, et avec la promesse de plus en plus de contribuer de manière significative à la recherche en biologie 2-4. La majorité des dispositifs microfluidiques ont historiquement été fabriqués à partir de poly (diméthylsiloxane) (PDMS), un élastomère de silicone qui est facile à utiliser, peu coûteux, et offre fonctionnalité de réplication de haute qualité 5. Cependant, PDMS a des lacunes bien documentées et est incompatible avec grand volume de fabrication traite 6,7, et en tant que tel, il y a eu une tendance croissante à la fabrication de dispositifs microfluidiques à partir de matières thermoplastiques, en raison de leur potentiel de production de masse et donc la commercialisation.
L'un des principaux obstacles à l'adoption plus large de microfabrication en plastique a été la réalisation facile, collage de haute qualité des appareils en plastique. Les stratégies actuelles emploient tHermal, adhésif, et les techniques de collage par solvant, mais beaucoup souffrent de difficultés importantes. La liaison thermique augmente autofluorescence et 8 se déforme souvent des géométries de microcanaux 9 - 11, tandis que les techniques de collage nécessitent un alignement précis des pochoirs, et finalement laisser l'épaisseur de l'adhésif exposé au microcanal 10. Collage par solvant est attrayant en raison de sa simplicité, accordabilité, et à faible coût 10,12 - 14. En particulier, sa accordabilité permet une optimisation pour une variété de matières plastiques, ce qui peut donner cohérente, une liaison de haute qualité qui minimise la déformation de 14 microcaractéristiques.
Au cours de collage par solvant, l'exposition aux solvants augmente la mobilité des chaînes de polymère à la surface de la matière plastique, ce qui permet d'inter-diffusion des chaînes à travers l'interface de collage. Cela provoque l'enchevêtrement par verrouillage mécanique des chaînes diffusant, et se traduit par apliaison hysical 10. la liaison thermique fonctionne d'une manière similaire, mais repose sur la seule température élevée pour accroître la mobilité de la chaîne. Ainsi, les procédés thermiques nécessitent des températures proches ou au-dessus de la transition vitreuse du polymère, tandis que l'utilisation de solvants peut réduire de manière significative la température nécessaire pour le collage, et ainsi réduire la déformation indésirable.
Nous fournissons un protocole spécifique pour le collage à la fois le PMMA et les dispositifs de la COP. Cependant, ce protocole et méthode décrit une approche simple, générique pour une liaison par solvant de dispositifs microfluidiques thermoplastiques qui peut être adapté pour d'autres matières plastiques, des solvants et des équipements disponibles. Nous décrivons de nombreuses méthodes pour évaluer la qualité des obligations (par exemple, la couverture des obligations, l'adhérence, la durabilité des obligations, et la déformation des géométries de microcaractéristiques), et fournir des approches de dépannage pour relever ces défis communs.
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Protocol
Notez que toutes les étapes décrites ci-dessous ont été mis au point et exécuté dans un environnement non-cleanroom. Les étapes de liaison de solvants peuvent certainement être effectuées dans une salle blanche, si elle est disponible, mais ce ne sont pas nécessaires.
1. Préparation de Thermoplastique microfluidiques Calques Device
- Concevoir et fabriquer des couches de dispositif microfluidique à partir de la matière thermoplastique de choix, au moyen d' un procédé de fabrication approprié (par exemple, 15 microfraisage, estampage 16 - 18, le moulage par injection).
- Inspecter visuellement couches de dispositif pour veiller à ce que les bords soient «propres» (c. -à- pas de bavures ou arêtes de matériau restant du processus de fabrication). Pour de meilleurs résultats, vérifier tous les bords usinés micro-longs en plus des bords extérieurs de l'appareil sous un microscope optique.
- Si le matériel restant se trouve lors de l'inspection visuelle, utiliser une lame de rasoir ou un scalpel pour enlever soigneusement toute material qui empêche les couches de dispositif de la position couchée à plat l'une contre l'autre, de sorte que les interfaces des couches sont en contact conformationnelle.
- Dispositif Nettoyer les surfaces avec du savon de laboratoire et de l'eau et sécher à l'air comprimé. Immerger couches de dispositif dans le 2-propanol pendant 2 min et sec avec de l'air comprimé.
2. Collage Solvent
- Préparer la presse chauffée (PMMA) ou plaque (pour COP).
- Pour PMMA (acrylique moulé, température de transition vitreuse de ~ 100-110 ° C) 18 presse de préchauffage à 70 ° C, et permettre à la température de se stabiliser.
- Pour COP (verre de température de transition de 102 ° C, du fabricant), préchauffer plaque à 25 ° C, et permettre à la température de se stabiliser.
- Préparer un solvant pour le processus de liaison.
- Pour PMMA, mesurer 0,5 ml d'éthanol par pouce carré de surface de collage.
- Pour COP, préparer un mélange 65/35 de 2-propanol et le cyclohexane, l'espritha volume total de 0,5 ml du mélange par pouce carré de la surface de collage.
NOTE: Pour la CdP, utilisez pipettes et contenants de verre, comme le cyclohexane se dissoudra labware en polypropylène commun. Effectuer toutes mélange et collage dans une hotte, que le cyclohexane est toxique.
- Distribuer 0,1 ml de solvant par pouce carré de surface de liaison entre les couches plastiques nettoyés et amener les couches ensemble. Inspecter visuellement les bulles d'air à l'interface de liaison, qui sont communs, et devraient être supprimés, autant que possible.
NOTE: Il est avantageux de travailler rapidement une fois que le solvant a été distribué, en tant que solvants volatils commencent à s'évaporer (et donc, des mélanges de solvants va changer dans la composition).- Si des bulles sont présentes, faites glisser les deux couches de matière plastique le long de l'interface de liaison de sorte qu'ils viennent presque à part (mais restent en contact), puis faites-les glisser ensemble.
- Alignez les couches du dispositif avec des broches d'alignement,un gabarit personnalisé, ou tout simplement à la main (voir la section Discussion pour plus de détails).
- Si vous utilisez des broches d'alignement, aligner les trous pour les broches, et insérez les broches dans la pile de l'appareil.
- Si vous utilisez un gabarit personnalisé, insérez la pile de l'appareil dans le gabarit et serrer autour de l'appareil.
- Si l'alignement à la main, utilisez les doigts pour aligner les bords extérieurs du dispositif.
- Placez l'appareil avec un solvant dans la presse pré-chauffée (PMMA) ou sur la plaque pré-chauffée (pour COP).
- Pour PMMA, appliquer 2.300 kPa de la pression pendant 2 min.
- Pour COP, appliquer 350 kPa de pression. Augmenter la température de 25 ° C à 70 ° C à une vitesse de 5 ° C / min. Après avoir atteint 70 ° C (après 9 min), la liaison pendant 15 minutes supplémentaires.
- Utilisez des pinces pour retirer en toute sécurité l'appareil chaud pour inspection. Le collage est maintenant terminée.
- Retirez tout liquide restant dans le dispositif (dans des microcanaux ou autre featurs).
- Pour PMMA, enlever tout le liquide restant avec de l'air comprimé. Pour COP, placez dispositif collé sur plaque de cuisson et cuire au four à 45 ° C pendant 24 heures pour éliminer tout le cyclohexane restant.
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Representative Results
Un schéma du solvant , le mode opératoire général de liaison est représentée sur la figure 1. La meilleure façon d'évaluer la qualité des obligations est d'inspecter visuellement la couverture des obligations, étant donné que la couverture de mauvaise liaison est facilement visible en tant que régions de plastique non lié, et est une indication de liaison faible. Ces régions sont généralement des bords libres près (par exemple, la périphérie du dispositif, ou à proximité des ports ouverts ou microcanaux), et peuvent également apparaître souvent autour de toutes les particules de saleté ou de poussière à l'interface de liaison. La couverture des obligations pauvres en raison de liaison faible est typiquement observée pendant la phase de développement du protocole, avant que les conditions optimales de composition et de collage par solvant ont été trouvés, et des exemples sont présentés dans la figure 2A. En règle générale, une liaison faible suggère la nécessité d'une ou plusieurs de: (i) un solvant plus agressif ( par exemple une solution de concentration plus élevée, ou un autre solvant), (ii) une température de liaison supérieure, et (iii) une liaison ultérieure prEssure.
A l' inverse, les conditions de collage trop agressives peuvent conduire à une excellente couverture de lien avec une force de liaison élevée, mais aussi endommagé ou scellé microcaractéristiques, comme le montre la figure 2B. Ceci est le plus souvent due au solvant étant trop agressif, bien que des températures élevées (approchant la température de transition vitreuse de la matière plastique) peut également provoquer une déformation significative.
Une haute qualité, dispositif bien lié a à la fois une bonne couverture des obligations et une déformation minimale de microcaractéristiques, comme le montre la figure 2C. Selon le solvant et la température de choix, il peut être difficile d'obtenir une bonne couverture des obligations à proximité des bords libres du dispositif si le solvant est très volatile et évapore donc rapidement. Dans ces situations, l'ajout de petites microsillons à la conception du dispositif, le long des bords d'intérêt, peut contribuer à atténuer l'évaporation du solvant et doncaméliorer la couverture de liaison, comme le montre la figure 2D. Nous utilisons habituellement des rainures ayant des dimensions en coupe transversale de 500 x 500 um, 300 um placé à partir du bord. 14
En plus de l'inspection visuelle générale de la couverture des obligations, des tests à la fois destructifs et non destructifs doivent être utilisées pour étudier davantage la qualité des obligations et des dommages microdétail. Deux essais destructifs qui sont utiles au cours de la phase de développement de protocole sont (i) contre-tronçonnage et (ii) coinçant dispositifs distincts liés, afin d'évaluer la géométrie de microdétail et la force de liaison, respectivement. Nous préférons en utilisant microfraisage à la section nos appareils, que nous trouvons cela offre une bonne combinaison de confort, de précision et des surfaces relativement propres. En l'absence d'une fraiseuse à d'autres approches peuvent être utilisées, même si elles présentent des problèmes différents. Les exemples incluent la coupe avec une scie à diamant ou scie à ruban (laisse des surfaces rugueuses), soigneusement claquerun dispositif le long des lignes marqués (peut être difficile en raison de l'épaisseur et la contrainte de cisaillement peut provoquer appareil à délaminer), ou tout simplement ponçage loin une partie du dispositif (temps). Les surfaces rugueuses de coupe peuvent être lissés avec ponçage.
Quelle que soit la méthode utilisée, les appareils doivent être sectionnés perpendiculairement à microcaractéristiques d'intérêt, et peuvent être inspectés visuellement à l'aide d'un microscope optique. La taille et la forme des microcaractéristiques sections indiqueront à quel point la déformation a eu lieu en raison de la liaison. solvants moins agressifs, et des températures plus basses et des pressions, seront mieux préserver les angles aigus et des parois droites, tandis que des conditions plus agressives vont provoquer l'arrondissement des coins et des murs, ainsi qu'une diminution de la superficie en coupe transversale due à un gonflement du polymère. Images de résultats typiques sont présentés dans la figure 3.
La force de liaison peut être mesurée par partiellement à l'écart coinçant les couches collées avec une cale et en mesurant la distance entre le bord de la cale sur le bord de la zone de délaminage. La force d'adhérence peut être calculée à partir de cette distance, l'épaisseur des couches et de la cale et le module d'élasticité de la matière plastique. 14,19 Si la valeur spécifique de la force de liaison n'a pas d' importance, coinçant les couches fournit à part une méthode qualitative pour déterminer si le lien est assez fort pour les forces typiques et la manipulation du dispositif va rencontrer au cours des expériences.
essais non destructifs sont utiles pour vérifier la qualité d'un appareil tout en laissant utilisable à sa destination. Une méthode simple et utile est d'inspecter par microscopie, en se concentrant principalement sur la couverture obligataire près des bords de microcaractéristiques, ou sur de petites zones de liaison. Régions non liées apparaissent légèrement plus sombre que des régions liées en raison de l'entrefer mince entre les couches de matière plastique, et comme le montre la figure 4 </ Strong>, devrait être perceptible par une inspection minutieuse avec un microscope. Trouver les régions de plastique non lié peut aider à diriger une seconde itération de liaison localisée pour sceller les parties critiques de l'appareil avant de l'utiliser.
Une technique utile pour obtenir des liens solides avec un solvant agressif, mais tout en minimisant les dommages à microcanaux, est d'ajouter des rainures avec des ports d'accès à la conception de l'appareil, et seulement ajouter du solvant aux rainures (au lieu d'inonder la surface de liaison avec le solvant). Ceci réduit considérablement le contact entre le micro - canal et le solvant liquide (vapeur pénètre toujours microcanal) et réduit par conséquent la déformation , comme illustré sur la figure 5.
Selon l'application du dispositif prévu, des tests de durabilité à long terme peut être nécessaire. Par exemple, beaucoup de nos appareils sont utilisés pour des expériences biologiques, et peuvent résider dans un environne incubateur cellulaireronnement (37 ° C, 100% d'humidité) pendant plusieurs semaines. Durabilité peut être évaluée en plaçant des dispositifs de test dans les conditions requises pour la durée requise, et inspecté après une baisse visuelle de la couverture des obligations (délaminage du dispositif), ou affaibli la force de liaison qui permet au dispositif d'être facilement coincé dehors. Des exemples sont montrés sur la figure 6 et montrent qu'il est nécessaire de modifier la procédure de collage pour obtenir une plus grande résistance de la liaison.
Figure 1: Représentation schématique du procédé de collage. Le solvant processus général de liaison est représenté. le solvant liquide est ajouté entre les deux couches de dispositif thermoplastiques à assembler. Les couches sont réunies et les bulles sont éliminées du liquide à l'interface de collage. La pression et la chaleur sont appliquées au dispositif pendant toute la durée requise, et le dispositif de liaison est terminée. Toute nouvelleliquide restante peut être enlevée de ports ouverts. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2: Exemples visuels de différentes obligations de qualité. (A) Un défi commun avec de nombreuses approches liquides de collage par solvant est que l' évaporation rapide se produit près des bords libres du dispositif lors de l'étape de liaison chauffée en raison de la volatilité du solvant. Cela conduit souvent à des régions de matériau non lié à proximité de ces bords, ce qui entraîne une couverture médiocre des obligations, les caractéristiques microfluidiques qui fuient, et une faible résistance globale des obligations. Ces régions sont visibles comme des taches plus claires avec des franges d'interférence de couleur (flèches jaunes). (B) À l' inverse, les rendements trop agressifs de collage par solvant une excellente couverture des obligations, mais peut aussi causer dama significativege à microcaractéristiques, déformantes ainsi ou fermant les canaux de périphérique (flèches jaunes). (C) Un système de solvant en plastique optimisé permet d' obtenir une bonne couverture des obligations et de la force, et minimise les dommages à microcaractéristiques tout bien les sceller. (D) Dans certains cas, l' ajout de rétention de solvant rainures parallèles aux bords de l' appareil (flèche jaune) peut aider à améliorer la couverture des obligations et correctement sceller microcaractéristiques. Grooves peuvent être nécessaires si une meilleure couverture des obligations est nécessaire, mais il est souhaitable d'augmenter la force du solvant (en raison de l'augmentation des dommages résultant de microcaractéristiques). Barres d'échelle = 1 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3: sections transversales des dispositifs agglomérés. Le solvant processus de liaison can microcaractéristiques déformation si le solvant est trop agressif, ou si la température ou la pression de liaison sont trop élevés. Inspecter sections transversales des dispositifs liés révélera les incidents de déformation microdétail. Effectuer ces inspections pour chaque système plastique solvant spécifique peut aider à établir les paramètres optimaux pour atteindre la qualité de microcanaux souhaitée. images représentatives sont indiquées pour les sections d'un carré canal de PMMA de 500 um collées avec appropriée (à gauche) et trop agressifs (à droite) des mélanges de solvants. Deux indicateurs de l'étendue de la déformation induite par solvant sont l'arrondi des coins et des parois droites, et l'épaisseur d'une couche riche en solvant de la matière plastique au niveau des surfaces qui sont en contact avec le solvant (flèches jaunes). Barre d'échelle = 200 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4: Contrôle non destructif par Microscopie. Une inspection minutieuse avec un microscope optique peut identifier des régions de plastique non liée, en particulier près des bords de microcaractéristiques, ou sur de petites zones de liaison. régions non adhérentes (flèches rouges) apparaissent légèrement plus sombre que des régions liées en raison de l'entrefer mince entre les couches de matière plastique, et des franges d'interférences colorées sont parfois aussi visibles dans ces domaines. régions de liaison médiocre identification peut indiquer la nécessité d'une deuxième itération de liaison, avec solvant ajouté localement des points chauds. Barre d'échelle = 1 mm.
Figure 5: Minimiser les dommages aux canaux en ajoutant un solvant Seulement Grooves. L'image au microscope montre une coupe transversale d'un canal de PMMA entourée de deux rainures. Le solvant peut être ajouté à groovs tandis que les deux couches de dispositif sont pressées ensemble, plutôt que d'inonder l'interface de liaison avec un solvant. Ceci minimise grandement le contact avec le solvant à l'intérieur du micro-canal et donc minimise la déformation induite par le solvant. Cette approche est utile quand il faut un solvant agressif pour assurer une force de liaison élevée et une couverture, mais le contact entre le solvant et microcanaux doit être minimisée. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6: Durabilité et comparaison (Plasma-Assisted) liage thermique. Collage par solvant (A) , on obtient une meilleure qualité de liaison de la liaison thermique assisté par plasma (B) ou une liaison thermique (C) , des techniques, mais aussi une meilleure durabilité dans la celluleconditions d'incubation (37 ° C, 100% d'humidité). Les deux techniques thermiques laissent systématiquement «halos» significatifs de microcaractéristiques en plastique entourant désolidarisation, avec une liaison thermique assisté par plasma étant meilleure que la liaison thermique régulière. Ces obligations se dégradent également au fil du temps, avec les régions non liées de plus en plus en taille. Alors que le dispositif de COP lié solvant n'a montré aucun changement dans la liaison de plus de 48 heures dans un incubateur (A), le dispositif de plasma thermique lié délaminé complètement (B). Le dispositif lié thermique régulière a commencé à se délaminer à moins de 10 minutes dans les conditions ambiantes (C), et aussi complètement délaminé dans l'incubateur. Barres d'échelle = 5 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Plastique | Solvant | | Pression (kPa) | Durée (min) | Remarques | | ||
| PMMA | 100% d'éthanol | 70 | 2.300 | 2 | La meilleure option si une presse chauffée est disponible (requis pour la haute pression). donne Toujours une excellente couverture des obligations (sans l'utilisation de rainures de rétention de solvant), avec une faible déformation de microcaractéristiques. Nécessite très peu de solvant, et est très insensible aux bulles et la poussière / saleté à l'interface de liaison en raison de la haute pression. | ||
| PMMA | 75% d'acétone / 25% d'eau | 40 | 30 | 20 | la cohérence Inférieur à la méthode ci-dessus et prend plus de temps, mais ne nécessite pas la presse chauffée (qui peut être fait avec plaque de cuisson et de poids). la couverture de Bond est grandement facilitée par l'utilisation de rainures de rétention de solvant. | ||
| FLIC 35% de cyclohexane / 65% de 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | Nous avons constaté que le préchauffage de la plaque de cuisson provoque trop d'évaporation initiale, et conduit également au blanchiment de la matière plastique. Au lieu de cela, nous plaçons l'appareil sur une plaque de cuisson à température ambiante, puis augmenter la température à 70 ° C (vitesse de 5 ° C / min de rampe). Après que la température se stabilise à 70 ° C (en 9 minutes), on liaison à cette température pendant 15 minutes supplémentaires. | |||
Tableau 1: Paramètres de collage par solvant. Résumé de combinaisons de matières plastiques, des solvants, des températures, des pressions et pour le PMMA et le COP solvant protocole de liaison.
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Discussion
La faisabilité des stratégies de liaison potentiels dépend de l'équipement disponible. Alors que plaques de cuisson sont relativement fréquentes et des poids libres peuvent être achetés à moindre coût, des stratégies à haute pression nécessiteront l'utilisation d'une presse chauffée. Par exemple, notre recette optimale de liaison de PMMA nécessite une pression élevée pour lier avec de l' éthanol (voir le tableau 1), et la pression requise ne peut être atteinte pour les tailles d'appareils typiques utilisant des poids libres. Ainsi, si seulement une plaque de cuisson et de poids sont disponibles, le PMMA peut plutôt être lié avec un solvant différent (75% d'acétone dans l'eau). En outre, l'utilisation de solvants qui nécessitent une hotte peut également limiter la faisabilité, en particulier si des pressions élevées sont nécessaires, que de telles stratégies, il faudrait à la fois l'utilisation d'une presse chauffée et la nécessité d'adapter la presse à l'intérieur d'une hotte. Ces considérations peuvent aider à guider le choix des solvants lors de l'élaboration de nouveaux systèmes de solvant en plastique, avec une préférence pour les solvants moins nocifs et basse pressions qui offrent encore une liaison de haute qualité.
Après un procédé de collage de solvant a été optimisé pour une matière plastique spécifique, il peut y avoir des défis restants avec une couverture obligataire pauvre près des bords de l'appareil, en raison des effets d'évaporation pendant le processus de liaison. Comme mentionné dans la section des résultats représentatifs, une stratégie qui peut atténuer ces problèmes est l'ajout d'une rétention de solvant rainure qui est parallèle aux bords d'intérêt ( par exemple, le bord extérieur de l'appareil, et le long des canaux ou des ports qui présentent généralement collage difficulté). En outre, deux ou plusieurs orifices traversants peuvent être ajoutés à chaque rainure (et / ou rainures peuvent être reliées), de sorte que le solvant peut être ajouté directement dans les rainures avec une pipette. Cela a deux utilisations possibles: (i) un solvant peut être ajouté aux rainures au lieu d'inonder l'interface de collage, ce qui réduit grandement le contact entre le solvant et les parois des microcanaux (voir figure 5),et (ii) si la première tentative de collage laisse certaines zones avec une couverture d'obligations pauvres, plus de solvant peut être ajouté localement pour un second tour de liaison, qui scelle souvent les zones critiques restantes autour de microcaractéristiques. Il est intéressant de noter que les rainures peuvent ajouter à temps de fabrication, et comme ils prennent de la place sur l'appareil, peuvent ne pas se prêter à certains modèles de haute densité.
Un défi commun avec les stratégies de liaison est l'alignement des couches du dispositif lors du collage. Plusieurs stratégies sont possibles, en fonction des exigences de précision. Si l' alignement est pas critique ( par exemple, si toutes les microcaractéristiques sont sur une couche, qui est collée sur une couche plate de substrat sous - jacent), puis l' alignement manuel par la main est suffisante. Pour connaître les exigences d'alignement plus exigeants, l'alignement de la main peut encore être suffisante, même si cela dépend un peu de la compétence du chercheur individuel. Nous pouvons régulièrement obtenir une précision d'alignement à l'intérieur de 100 um, et des décisions intelligentesdans le dispositif de conception peut assouplir les exigences en matière de précision d'alignement (ie, en concevant des tolérances dans les microcaractéristiques du dispositif , si possible, de telle sorte que de légers désalignements n'affectent la performance de l' appareil). Une technique utile pour aider à l'alignement de la main est d'utiliser aussi peu de solvant que possible pour couvrir la surface de collage. Avec des quantités excessives de solvant, les couches de matière plastique "float" sur la fine couche de liquide, et ne pas maintenir leur alignement lorsque le dispositif est transféré à la plaque de cuisson ou de presse chauffée. En revanche, une très mince couche de solvant permet de "coller" les couches de plastique ensemble et maintenir l'alignement après qu'ils sont ajustés à la main.
Si un alignement plus précis est nécessaire, les stratégies possibles comprennent angle entre crochets en forme de L pour maintenir les couches de dispositif ensemble, broches d'alignement qui traversent les couches de dispositif, en utilisant du ruban à l'extérieur de l'appareil pour assurer des positions de couche, ou des gabarits sur mesure que peut contenir tIl dispositif pendant l'étape de liaison. Pour toutes ces stratégies, notons que le matériel d'alignement doit généralement être inférieure à la hauteur de pile totale du dispositif de telle sorte que la pression peut être appliquée sur la face du dispositif pendant le collage.
Le défi pour le collage de solvant est généralement pas la largeur, mais la profondeur de microcanaux parce microcanaux peu profondes peuvent être effondrées par un solvant trop agressif ou par des températures trop élevées et les pressions. Pour une profondeur donnée, des canaux plus larges sont plus sensibles à l'effondrement de canaux étroits. Bien que nous n'avons pas fabriqué des canaux en dessous de 50 um de largeur (en raison des limites de notre machine de fraisage CNC qui limitent le diamètre de endmill minimum que nous pouvons utiliser), nous avons régulièrement collé des canaux qui sont séparés par des distances de l'ordre de 25 um. En termes de profondeur, nous avons également lié avec succès des canaux peu profonds (~ 15 um) en utilisant cette méthode.
Enfin, une comparaisonde la phase liquide collage par solvant à d'autres techniques de liaison est justifiée. Trois autres techniques de liaison commun sont en phase vapeur liaison par solvant, soudage par diffusion thermique, et la liaison de diffusion thermique assisté par plasma. phase vapeur de solvant partage plusieurs des caractéristiques de phase liquide liaison par solvant de liaison, mais est dans notre expérience plus difficile à réaliser et moins accordable, conduisant à des résultats moins cohérents. L'application d'un solvant dans la phase vapeur nécessite soit une chambre à vide ou une chambre à vapeur avec un support de dispositif, et l'on trouve que le processus est moins contrôlable à l'aide du liquide. En outre, des techniques en phase vapeur sont rarement prête pour l'utilisation avec des mélanges de solvants, étant donné que presque tous les mélanges sont non azéotropique, et donc changeront leur composition liquide à phase gazeuse, en fonction de la pression et de la température ambiante.
la liaison par diffusion thermique consiste à presser les couches de dispositif en même temps à une température élevée proche de la température de transition vitreuse(T g) de la matière plastique. La température élevée augmente la mobilité de la chaîne polymère, ce qui permet d'interdiffusion des chaînes à travers l'interface de liaison et former une liaison. 10 Cependant, parce que l'ensemble du dispositif est chauffé à la même température, la mobilité de la chaîne augmente partout, et microcaractéristiques devenir déformée et arrondie 9,10. Ainsi, l'augmentation de la force de liaison (en raison de la température plus élevée de liaison) vient au coût direct des dommages à microcaractéristiques. Une modification de la liaison thermique est l'utilisation d'un plasma d'oxygène , le traitement de surface pré-collage, ce qui abaisse le local (surface) T g du polymère 20. Cette liaison thermique assisté par plasma permet ainsi une liaison de se produire à des températures plus basses, plus éloignée de la masse Tg. Bien que cela ne réduit pas la quantité de déformation à microcaractéristiques par rapport à la liaison thermique, nous avons constaté que la couverture de liaison initiale et la force sont encore beaucoup plus faible par rapport au solvant liaison, et importante, les obligations se dégradent au cours des heures suivantes. Comme on le voit sur la figure 6, les dispositifs liés thermique assisté par plasma ont montré une perte significative de la couverture de liaison de plus de 48 heures dans un incubateur de cellules, tandis que les dispositifs liés au solvant ont montré aucun changement.
Ici, nous avons décrit un protocole simple, efficace qui repose sur la base liquide liaison par solvant pour obtenir des liens de qualité pour les PMMA et dispositifs microfluidiques de la COP. Nos résultats ont démontré que des mesures spécifiques pour le PMMA et le collage de la COP conduiront à des liens forts et optiquement transparents avec une déformation négligeable de microcaractéristiques, et que l'utilisation de rainures et de matériel d'alignement peuvent contourner les questions pratiques communes au cours de la procédure de collage par solvant. L'intégration de cette méthode dans le processus de fabrication permettra d'accélérer le développement de PMMA et dispositifs microfluidiques basés COP, et permettre aux chercheurs d'adopter plus facilement des thermoplastiques dans leurs conceptions de dispositifs microfluidiques.
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Disclosures
Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun intérêt financier concurrents.
Acknowledgments
Nous reconnaissons le soutien financier du Conseil de recherches en génie du Canada (CRSNG, N ° 436117-2013) en sciences naturelles et la Société de recherche sur le cancer (SRC, # 20172), Myélome Canada, et Grands Défis Canada.
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
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