Lösningsmedelsbindning för framställning av PMMA och COP Mikrofluidikanordningar

Summary

Lösningsmedelsbindning är en enkel och mångsidig metod för att tillverka termoplastiska mikrofluidanordningar med hög kvalitet bindningar. Vi beskriver ett protokoll för att uppnå en stark, optiskt klara obligationer i PMMA och COP mikroflödessystem enheter som bevarar mikrokännetecken detaljer, av en lämplig kombination av tryck, temperatur, ett lämpligt lösningsmedel, och enheten geometri.

Abstract

Termoplastiska mikroflödessystem enheter erbjuder många fördelar jämfört med de som gjorts från silikonelastomerer, men bindningsförfaranden måste utvecklas för varje termoplast av intresse. Lösningsmedelsbindning är en enkel och mångsidig metod som kan användas för att tillverka enheter från en mängd olika plaster. Ett lämpligt lösningsmedel tillsätts mellan två enhetsskikt som skall bindas, och värme och tryck appliceras på anordningen för att underlätta bindning. Genom att använda en lämplig kombination av lösningsmedel, plast, värme och tryck, kan anordningen tätas med en hög kvalitet obligation, kännetecknas av hög bindning täckning, bindningsstyrka, optisk klarhet, hållbarhet över tid, och låg deformation eller skador på mikrokännetecken geometri. Vi beskriver det förfarande för limning av anordningar tillverkade av två populära termoplaster, poly (metyl-metakrylat) (PMMA), och cyklo-olefin polymer (COP), såväl som en mängd olika metoder för att karakterisera kvaliteten hos de resulterande bindningar, och strategier till troubleshoot låg kvalitet bindningar. Dessa metoder kan användas för att utveckla nya lösningsmedelsbindning protokoll för andra plast-lösningsmedelssystem.

Introduction

Mikrofluidik har vuxit fram under de senaste tjugo åren som en teknik väl lämpad för att studera kemi och fysik vid mikro ^en, och med växande lovar att bidra väsentligt till biologisk forskning ^2-4. Majoriteten av mikrofluidanordningar har historiskt varit tillverkad av poly (dimetylsiloxan) (PDMS), en silikonelastomer som är lätt att använda, billiga, och erbjuder hög kvalitet funktionen replikering ^5. Men PDMS har väldokumenterade brister och är oförenlig med hög volym tillverkningsprocesser ^6,7, och som sådan, har det funnits en växande trend mot att tillverka mikroflödessystem enheter från termoplastiska material, på grund av deras potential för masstillverkning och därmed kommersialisering.

En av de största hindren för mer omfattande användning av plastmikro har uppnå lätt, hög kvalitet limning av plastanordningar. Nuvarande strategier använder tHermal, lim och lösningsmedel bindningstekniker, men många lider av betydande utmaningar. Termisk bindning ökar autofluorescens ⁸ och ofta deformerar mikrokanalgeometrier ^9-11, medan adhesiva tekniker kräver stenciler, noggrann justering, och slutligen lämna tjockleken av klistret exponeras för mikrokanalen ^10. Lösningsmedelsbindning är attraktiv på grund av sin enkelhet, avstämbarhet och låg kostnad ^{10,12 - 14.} I synnerhet, gör det möjligt för avstämbarhet optimering för en mängd olika plaster, som kan ge jämn och hög kvalitet bindning som minimerar deformering av microfeatures ^14.

Under lösningsmedelsbindning, ökar exponeringen lösningsmedel rörligheten av polymerkedjor nära ytan av plasten, vilket möjliggör inter-diffusion av kedjor tvärs över bindningsgränsytan. Detta orsakar hoptrassling via mekanisk sammanlåsning av de diffunderande kedjorna, och resulterar i aphysical bindning ^10. Värmebindning fungerar på ett liknande sätt, utan förlitar sig på förhöjd temperatur enbart för att öka kedjan rörlighet. Således, termiska metoder kräver temperaturer nära eller över glas av polymeren, medan användningen av lösningsmedel kan avsevärt minska temperaturen som behövs för limning, och därmed minska oönskad deformation.

Vi tillhandahåller ett särskilt protokoll för att binda både PMMA och COP-enheter. Men detta protokoll och metod beskriver en enkel, allmän metod för lösningsmedelsbindning av termoplastiska mikroflödessystem enheter som kan skräddarsys för andra plastmaterial, lösningsmedel och tillgänglig utrustning. Vi beskriver många metoder för att bedöma kvaliteten på obligationer (t.ex. bond täckning, bindningsstyrka, obligations hållbarhet, och deformering av mikrokännetecken geometrier), och ger felsöknings tillvägagångssätt för att ta itu med dessa gemensamma utmaningar.

Protocol

Notera att alla de steg som beskrivs nedan har utvecklats och utförs i ett icke-renrumsmiljö. Lösningsmedelsbondningsstegen kan säkert utföras i ett renrum, om sådana finns, men detta är inget krav.

1. Framställning av Termoplastisk mikrofluidikanordning Layers

1. Design och tillverkning av mikroflödessystem enhet lager från termoplast val, med hjälp av en lämplig tillverkningsmetod (t.ex. micromilling ^15, prägling ^16-18, formsprutning).
2. Inspektera enhetslager för att säkerställa att kanterna är "rena" (dvs inga grader eller åsar av överblivet material från tillverkningsprocessen). För bästa resultat, kontrollera alla bearbetade mikro har kanter förutom ytterkanterna på enheten under ett optiskt mikroskop.
3. Om blivet material påträffas under visuell inspektion, använda ett rakblad eller skalpell för att försiktigt ta bort någon mattaerial som förhindrar anordningsskikten från liggande plant mot varandra, så att gränssnitten i skikten kommer i anpassad kontakt.
4. Ren enhet ytor med laboratorie tvål och vatten och torka med tryckluft. Sänk enhetsskikt i 2-propanol under 2 minuter och torka med tryckluft.

2. lösningsmedelsbindning

1. Förbered upphettad press (för PMMA) eller värmeplatta (för COP).
   1. För PMMA (gjuten akryl, glasövergångstemperatur av ~ 100-110 ° C) ¹⁸ förvärmning tryck till 70 ° C, och låta temperaturen stabiliseras.
   2. För COP (glasövergångstemperatur av 102 ° C, från tillverkaren), förvärma värmeplatta till 25 ° C, och låta temperaturen stabiliseras.
2. Förbered lösningsmedel för bindningsprocessen.
   1. För PMMA mäter 0,5 ml etanol per kvadrattum av limningsområdet.
   2. För COP, förbereda en 65:35 blandning av 2-propanol och cyklohexan, intelligensha total volym av 0,5 ml av blandningen per kvadrattum av limningsområdet.
      OBS! COP, använd glaspipetter och behållare, såsom cyklohexan löser vanliga polypropylen laboratorieutrustning. Utföra alla blandnings- och bindning i ett dragskåp, såsom cyklohexan är giftigt.
3. Dispensera 0,1 ml lösningsmedel per kvadrattum av limningsområdet mellan rengjorda plastskikten och föra ihop lagren. Inspektera luftbubblor vid bindningsgränsytan, som är vanliga, och bör tas bort så mycket som möjligt.
   OBS: Det är fördelaktigt att arbeta snabbt när lösningsmedlet har utmatats, såsom flyktiga lösningsmedel kommer att börja avdunsta (och därmed, kommer lösningsmedelsblandningar förändras i sammansättning).
   1. Om bubblor, skjut de två plastskikten längs bindningsgränsytan så att de nästan faller isär (men förblir i kontakt), och skjut ihop dem igen.
4. Rikta lagren av anordningen med styrstiften,en anpassad jigg, eller helt enkelt för hand (se diskussion avsnitt för ytterligare information).
   1. Om du använder styrstiften, rikta in hål för stiften, och in stiften i enheten stacken.
   2. Om du använder en anpassad jigg, sätter enheten bunten i jiggen och dra runt enheten.
   3. Om anpassningen för hand, använda fingrarna för att inrikta de yttre kanterna av anordningen.
5. Placera enheten med lösningsmedel i den förvärmda press (för PMMA) eller på den förvärmda plattan (för COP).
   1. För PMMA, tillämpa 2300 kPa tryck under 2 minuter.
   2. För COP, tillämpas 350 kPa tryck. Öka temperaturen från 25 ° C till 70 ° C vid en hastighet av 5 ° C / min. Efter att ha nått 70 ° C (efter 9 min), obligation för en ytterligare 15 minuter.
6. Använd pincett för att säkert ta bort den varma enheten för inspektion. Limning är nu klar.
7. Ta bort eventuell kvarvarande vätska i enheten (i mikro eller annan features).
   1. För PMMA, avlägsna eventuell kvarvarande vätska med tryckluft. För COP, placera bundna enhet på kokplattan och grädda i 45 ° C under 24 h för att avlägsna eventuella kvarvarande cyklohexan.

Representative Results

En schematisk bild av den allmänna lösningsmedelsbindning förfarandet visas i figur 1. Det enklaste sättet att bedöma obligations kvalitet är att visuellt inspektera obligations täckning, eftersom dålig bindning täckning är väl synlig som regioner av obunden plast, och är ett tecken på svag bindning. Sådana områden är typiskt nära fria kanter (t.ex. periferi enhet, eller i närheten av öppna portar eller mikro), och kan också ofta visas runt alla partiklar av smuts och damm vid bindningsgränsytan. Dålig bindning täckning på grund av svag bindning typiskt sett under protokollutvecklingsstadiet, innan de optimala lösningsmedelskomposition och bindningsförhållanden har påträffats, och exempel visas i figur 2A. Typiskt antyder svag bindning ett behov av en eller flera av: (i) en mer aggressiv lösningsmedel (dvs., en högre lösningskoncentration, eller ett annat lösningsmedel), (ii) en högre bindningstemperatur, och (iii) en högre bindning prEssure.

Omvänt kan alltför aggressiv bindningsförhållanden leda till utmärkt bindning täckning med hög bindningsstyrka, men också skadas eller förseglade microfeatures, såsom visas i figur 2B. Detta är oftast på grund av lösningsmedlet att vara alltför aggressiv, även om hög temperatur (som närmar sig glasomvandlingstemperaturen för plast) kan också orsaka betydande deformation.

En hög kvalitet, har väl bunden enhet både god bindning täckning och minimal deformation av microfeatures, såsom visas i fig 2C. Beroende på lösningsmedlet och temperaturen val, kan det vara svårt att uppnå god bindning täckning nära fria kanter enheten om lösningsmedlet är mycket flyktigt och avdunstar därför snabbt. I dessa situationer, tillsats av små mikrospår till utformningen av anordningen, längs kanterna av intresse, kan bidra till att dämpa avdunstning av lösningsmedel och därmedförbättra bindning täckning, såsom visas i figur 2D. Vi använder vanligtvis spår med tvärsnittsdimensioner av 500 x 500 um, placerade 300 pm från kanten. ¹⁴

Förutom allmän okulärbesiktning av obligations täckning, bör både destruktiva och icke-förstörande provning användas för att ytterligare undersöka obligations kvalitet och mikrokännetecken skador. Två destruktiva tester som är användbara under protokollutvecklingsstadiet är (i) tvärsektionering och (ii) att kila isär bundna enheter, för att bedöma mikrokännetecken geometri och bindningsstyrka, respektive. Vi föredrar att använda micromilling avsnitt våra enheter, vi hittar detta ger en bra kombination av bekvämlighet, noggrannhet, och relativt rena ytor. I avsaknad av en fräsmaskin kan användas andra metoder, även om de kommer att presentera olika utmaningar. Som exempel kan nämnas att skära med en diamantsåg eller bandsåg (lämnar ojämna ytor), försiktigt knäppaen anordning längs skårade linjer (kan vara svårt på grund av tjockleken, och skjuvspänning kan orsaka anordningen att delaminera), eller helt enkelt slipa bort en del av anordningen (tidskrävande). Ojämna ytor från skär kan jämnas med slipning.

Oavsett vilken metod som används, bör anordningar sektion vinkelrät mot microfeatures av intresse, och kan inspekteras visuellt med användning av ett optiskt mikroskop. Storleken och formen på mikrokännetecken tvärsnitt indikerar hur mycket deformation har uppstått på grund av bindning. Mindre aggressiva lösningsmedel och lägre temperaturer och tryck, kommer att bättre bevara skarpa hörn och raka väggar, medan mer aggressiva förhållanden kommer att orsaka avrundning av hörnen och väggar, såväl som en minskning i tvärsektionsarea på grund av polymer svallning. Bilder av typiska resultat visas i figur 3.

Bindningsstyrka kan mätas genom partiellly fastkilning isär de bundna skikten med en underläggsplatta och mäta avståndet från kanten av underläggsplattan till kanten av delamineringsregion. Bindningsstyrkan kan beräknas från detta avstånd, varvid tjockleken av skikten och underläggsplattan, och elasticitetsmodulen hos plasten. ^14,19 Om den specifika bindningsstyrkan värde är inte viktigt, kila skikten isär ger en kvalitativ metod för att bedöma huruvida bindningen är tillräckligt stark för de typiska krafter och hantering av enheten kommer att stöta på under experiment.

Icke-förstörande tester är användbara för att kontrollera kvaliteten på en enhet medan den användbar för avsett ändamål. En enkel och användbar metod är att inspektera via mikroskopi, med fokus på obligations täckning nära mikrokännetecken kanter, eller på små bindningsområden. Obundna områden visas något mörkare än bundna områden på grund av den tunna luftspalten mellan plastskikten, och såsom visas i fig 4 </ Strong>, bör märkas genom noggrann inspektion med mikroskop. Att hitta områden av obunden plast kan hjälpa rikta en andra iteration av lokaliserad bindning till täta kritiska delar av anordningen före användning.

En användbar teknik för att uppnå starka band med en aggressiv lösningsmedel, men samtidigt minimera skador på mikro, är att lägga till spår med portar åtkomst till enheten design och bara lägga lösningsmedel till spåren (i stället för översvämningar bindningsytan med lösningsmedel). Detta minskar kraftigt kontakt mellan mikrokanalen och det flytande lösningsmedlet (ångan inträder fortfarande mikrokanalen), och följaktligen minskar deformation såsom visas i figur 5.

Beroende på den avsedda enheten ansökan kan på längre sikt hållbarhet tester krävas. Till exempel, många av våra anordningar används för biologiska experiment, och kan finnas i en cellinkubator omgivjön (37 ° C, 100% fuktighet) i upp till flera veckor. Hållbarhet kan bedömas genom att placera testanordningar i de villkor som krävs för önskad längd, och inspekteras efteråt för en visuell minskning av obligations täckning (delaminering av enheten), eller försvagas bindningsstyrka som gör att enheten lätt kan kilas isär. Exempel visas i figur 6, och visar på behovet att ändra bindningsförfarande för att uppnå högre bindningsstyrka.

Figur 1: Schematisk bild av bindningsprocessen. Den allmänna lösningsmedelsbindning processen visas. Flytande lösningsmedel tillsätts mellan de två termoplastiska enhetsskikt som skall bindas. Skikten förs samman och bubblor avlägsnas från vätskan vid bindningsgränsytan. Tryck och värme appliceras på anordningen för den önskade varaktighet och den bundna enheten är klar. alla reresterande vätska kan avlägsnas från öppna portar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: Visuella Exempel på Varierande Bond kvalitet. (A) En gemensam utmaning med många flytande lösningsmedelsbindning tillvägagångssätt är att en snabb avdunstning sker nära fria kanter hos anordningen under den uppvärmda bindningssteget på grund av lösningsmedels volatilitet. Detta leder ofta till regioner av obundet material i närheten av dessa kanter, vilket resulterar i dålig bindning täckning, läckande mikrofluidiska egenskaper, och låg total bindningsstyrka. Dessa regioner är synliga som ljusare fläckar med färgade interferensfransar (gula pilar). (B) Omvänt alltför aggressiva lösningsmedelsbindning ger utmärkt bindning täckning, men kan också orsaka betydande damaGE microfeatures därigenom deformerande eller stänga enhetskanaler (gula pilar). (C) En optimerad lösningsmedels plast systemet uppnår god bindning täckning och styrka, och minimerar skador på microfeatures samtidigt ordentligt täta dem. (D) I vissa fall, lägga lösningsmedel behålla spår parallellt med enhets kanter (gul pil) kan bidra till att förbättra obligations täckning och ordentligt täta microfeatures. Spåren kan behövas om bättre bindning täckning krävs, men det är inte önskvärt att öka lösningsmedelstyrkan (på grund av den resulterande ökade skador på microfeatures). Skalstrecken = 1 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: Tvärsnitt av bundna enheter. Lösningsbindningsprocess can deformera microfeatures om lösningsmedlet är alltför aggressiv, eller om bindningstemperaturen eller trycket är för högt. Inspektera tvärsnitt av bundna enheter kommer att avslöja fall av mikrokännetecken deformation. Att utföra sådana kontroller för varje specifik plastlösningsmedelssystem kan bidra till att skapa den optimala parametrar för att uppnå den önskade mikro kvalitet. Representativa bilder visas för tvärsnitt av en 500-um kvadrat PMMA kanal bundna med lämplig (vänster) och alltför aggressiv (höger) lösningsmedelsblandningar. Två indikatorer på omfattningen av lösningsmedels inducerad deformation är avrundningen av hörn och raka väggar, och tjockleken av ett lösningsmedel rikt lager av plast på ytor som var i kontakt med lösningsmedlet (gula pilar). Skalstreck = 200 | j, m. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4: Oförstörande inspektion via mikroskopi. Noggrann inspektion med ett optiskt mikroskop kan identifiera regioner av obundna plast, särskilt nära mikrokännetecken kanter, eller på små bondningsområden. Obundna områden (röda pilar) visas något mörkare än bundna områden på grund av den tunna luftspalten mellan plastskikten, och färgade interferensfransar är ibland också synliga i dessa områden. Identifiera områden med dålig bindning kan indikera behovet av en andra iteration av bindning, med lösningsmedel lokalt läggas till oroshärdar. Skalstreck = 1 mm.

Figur 5: Minimera Skador på kanaler genom att lägga Lösningsmedel endast till spåren. Mikroskopet bilden består av en tvärsektion av en PMMA-kanal omgiven av två spår. Lösningsmedel kan tillsättas till Grooves medan de två enhetsskikten pressas samman, snarare än översvämningar bindningsgränsytan med lösningsmedel. Detta minimerar i hög grad lösningsmedel kontakt med insidan av mikrokanalen, och därmed minimerar lösningsmedel-inducerad deformation. Detta tillvägagångssätt är användbart när det behövs en aggressiv lösningsmedel för att säkerställa hög bindningsstyrka och täckning, men kontakt mellan lösningsmedlet och mikro måste minimeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6: Hållbarhet och jämförelse med (plasmaassisterad) termisk bindning. Lösningsmedelsbindning (A) ger bättre bindning kvalitet än plasmaassisterad termisk bindning (B) eller värmebondning (C) tekniker, och även bättre hållbarhet i cellinkubatorbetingelser (37 ° C, 100% fuktighet). Både termiska tekniker rutinmässigt lämna betydande "glorior" av obundna plast som omger microfeatures, med plasma-assisterad termisk bindning är bättre än vanlig termisk bindning. Dessa obligationer försämra också över tiden, med de obundna regionerna växer i storlek. Medan lösningsmedlet bundna COP enhet visade ingen förändring i bindning under 48 timmar i en inkubator (A), plasma termiska bundna enhet delamineras helt (B). Den regelbundna termiska bundna enhet började att delaminera inom 10 minuter i omgivningsförhållanden (C), och även delaminer helt i inkubatorn. Skalstrecken = 5 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Plast	Lösningsmedel		Tryck (kPa)	Varaktighet (min)	Anmärkningar
PMMA	100% etanol	70	2300	2	Bästa alternativet om en upphettad press är tillgänglig (krävs för högtryck). Genomgående ger utmärkt bindning täckning (utan användning av lösningsmedel kvarhållande spår), med låg deformation av microfeatures. Kräver mycket lite lösningsmedel, och är mycket okänslig för bubblor och damm / smuts vid bindningsgränsytan på grund av högt tryck.
PMMA	75% aceton / 25% vatten	40	30	20	Sämre konsistens till ovanstående metod och tar längre tid, men kräver inte upphettad press (kan göras med värmeplatta och fria vikter). Bond täckning kraftigt med hjälp av användning av lösningsmedel kvarhållande spår.
POLIS 35% cyklohexan / 65% 2-propanol	25 -> 70 *	350	15 *	Vi har funnit att förvärmning av värmeplatta orsakar alltför mycket initial förångning, och också leder till blekning av plast. I stället vi placera enheten på en rumstemperatur kokplatta och sedan höja temperaturen till 70 ° C (ramphastighet av 5 ° C / min). Efter det att temperaturen stabiliseras vid 70 ° C (i 9 min), vi bindning vid denna temperatur under ytterligare 15 min.

Tabell 1: lösningsmedelsbindning Parametrar. Sammanfattning av kombinationer av plaster, lösningsmedel, temperaturer och tryck för PMMA och COP lösningsmedelsbindning protokoll.

Discussion

Möjligheten att potentiella bindnings strategier beror på tillgänglig utrustning. Medan kokplattor är relativt vanliga och fria vikter kan köpas billigt, kommer högtrycks strategier kräver användning av en upphettad press. Till exempel, kräver vår optimala receptet PMMA bindning högt tryck för att binda med etanol (se tabell 1), och det erforderliga trycket är inte uppnås för vanliga storlekar enhet med hjälp av fria vikter. Om sålunda endast en värmeplatta och vikter är tillgängliga, PMMA kan istället bindas med ett annat lösningsmedel (75% aceton i vatten). Dessutom, användning av lösningsmedel som kräver ett dragskåp kan också begränsa genomförbarheten, särskilt om höga tryck som behövs, eftersom sådana strategier skulle kräva både användningen av en uppvärmd press och att det är nödvändigt för att passa pressen inuti ett dragskåp. Dessa överväganden kan vägleda lösningsmedels val vid utvecklingen av nya lösningsmedelsplastsystem, med företräde ges till mindre skadliga lösningsmedel och lägre trycks som fortfarande erbjuder hög kvalitet limning.

Efter en lösningsmedelsbindning metod har optimerats för en viss plast, kan det finnas återstående utmaningarna med dålig bindning täckning nära enhets kanter, på grund av avdunstning effekt under bindningsprocessen. Som nämnts i avsnittet Resultat representant, är en strategi som kan mildra dessa frågor tillsats av ett lösningsmedel kvarhållande spår som löper parallellt med kanterna av intresse (dvs den yttre kanten av enheten, och vid sidan av alla kanaler eller portar som normalt uppvisar bindning svårighet). Dessutom kan två eller flera genomgående hål hamnar läggas till varje spår (och / eller spåren kan anslutas), så att lösningsmedlet kan tillsättas direkt in i spåren med en pipett. Detta har två potentiella användningar: (i) lösningsmedlet kan tillsättas till spåren i stället för översvämningar bindningsgränsytan, vilket i hög grad minimerar kontakt mellan lösningsmedlet och väggarna hos mikrokanaler (se figur 5),och (ii) om det ursprungliga försöket att bindning lämnar vissa områden med dålig bindning täckning, mer lösningsmedel kan tillsättas lokalt för en andra omgång av bindning, som ofta tätar eventuella kvarvarande kritiska områden runt microfeatures. Det är värt att notera att spår kan lägga till tillverkning tid, och eftersom de tar upp plats på enheten, inte kan vara tillgängliga för vissa hög densitet design.

En gemensam utmaning med bindnings strategier är anpassningen av enhetsskikten under bindning. Flera strategier är möjliga, beroende på precisionskrav. Om inriktningen är inte kritisk (dvs om alla microfeatures är på ett skikt, som är bunden till ett plant underliggande substratskiktet), är tillräcklig då manuell inriktning för hand. För mer krävande krav inriktnings kan handinriktnings fortfarande vara tillräcklig, även om detta beror lite på skickligheten hos den enskilde forskaren. Vi kan rutinmässigt uppnå anpassning noggrannhet inom 100 pm och smarta besluti enheten design kan koppla kraven på inriktningsnoggrannheten (dvs genom att utforma toleranser i microfeatures av enheten om möjligt, så att små avvikelser inte påverkar enhetens prestanda). En användbar teknik för att hjälpa till med handinriktning är att använda så lite lösningsmedel som möjligt för att täcka bindningsytan. Med stora mängder lösningsmedel, plastskikten "flyta" på det tunna lagret av vätska, och inte behålla sin inriktning när enheten överförs till plattan eller upphettad press. I kontrast, ett mycket tunt skikt av lösningsmedel hjälper till att "fastna" plastskikten samman och bibehålla inriktning efter det att de justeras för hand.

Om mer exakt inriktning krävs, möjliga strategier inkluderar L-formade hörnbeslag att hålla enheten lagren, inriktningsstift som går igenom enheten skikten, med tejp på utsidan av enheten för att säkerställa lagerpositioner, eller specialbyggda jiggar som kan hålla than enhet under bindningssteget. För alla dessa strategier, notera att inriktnings hårdvara typiskt måste vara kortare än den totala stapelhöjden av anordningen så att tryck kan appliceras på ytan av anordningen under bindningen.

Utmaningen för lösningsmedelsbindning är oftast inte bredden, men djupet av mikro eftersom grunda mikro kan kollapsade av en alltför aggressiv lösningsmedel eller genom alltför höga temperaturer och tryck. För ett givet djup, bredare kanaler är mer mottagliga för kollapsa än smala kanaler. Även om vi inte har tillverkat kanaler under 50 um i bredd (på grund av begränsningar i vår CNC-fräsmaskin som begränsar den minsta pinnfräs diameter vi kan använda), har vi rutinmässigt bundna kanaler som skiljs åt av avstånd i storleksordningen 25 pm. När det gäller djup, har vi också framgångsrikt bundna mycket grunda kanaler (~ 15 mikrometer) med denna metod.

Slutligen visar en jämförelseav vätskefas lösningsmedelsbindning till andra bindningstekniker är motiverad. Tre andra vanliga bindningstekniker är ångfas lösningsmedelsbindning, termisk diffusionsbindning, och plasma-assisterad termisk diffusionsbindning. Ångfas lösningsmedelsbindning delar många av de egenskaper hos flytande fas lösningsmedelsbindning, men är enligt vår erfarenhet svårare att utföra och mindre avstämbar, vilket leder till mindre konsekventa resultat. Applicera lösningsmedel i ångfas kräver antingen en vakuumkammare eller en ånga kammare med en hållare, och vi finner att processen är mindre kontrollerbar än att använda vätska. Dessutom ångfasbetingelser tekniker är sällan mottagliga för användning med lösningsmedelsblandningar, eftersom nästan alla blandningar är icke-azeotrop, och på så sätt kommer att ändra deras sammansättning från vätska till gasfas, beroende på omgivningens tryck och temperatur.

Termisk diffusionsbindning involverar trycka anordningsskikten tillsammans vid förhöjd temperatur i närheten av glasövergångstemperaturen_(Tg) för plasten. Den höga temperaturen ökar polymerkedjan rörlighet, vilket gör att kedjor för att interdiffuse tvärs över bindningsgränsytan och bildar en bindning. ¹⁰ Eftersom hela anordningen upphettas till samma temperatur, kedja rörlighet ökar överallt, och microfeatures blir förvrängd och rundade ^9,10. Således ökar bindningsstyrkan (på grund av högre bindningstemperatur) kommer till de direkta kostnaderna för skador på microfeatures. En modifikation till termisk bindning är användningen av en för-bindningssyreplasmaytbehandling, vilket sänker den lokala (yta) _Tg för polymeren ^20. Denna plasma-assisterad termisk bindning möjliggör således bindning att inträffa vid lägre temperaturer, längre bort från bulk _Tg. Medan detta inte minska mängden deformation microfeatures jämfört med termisk bindning, har vi funnit att initial bindnings täckning och styrka är fortfarande mycket lägre i jämförelse med lösningsmedelsbindning, och importantly, obligationer försämras över efterföljande timmar. Som visas i figur 6, plasmaassisterad termisk bundna enheter visade betydande förlust av obligations täckning över 48 timmar i en cell inkubator, medan lösningsmedels bundna enheter visade inga förändringar.

Här beskrev vi en enkel, effektiv protokoll som bygger på vätskebaserad lösningsmedelsbindning för att uppnå kvalitet obligationer för PMMA och COP mikrofluidikanordningar. Våra resultat visar att specifika åtgärder för PMMA och COP bindning kommer att leda till starka och optiskt klara obligationer med försumbar deformation av microfeatures, och att användningen av spår och justering hårdvara kan kringgå vanliga praktiska frågor under lösningsmedelsbindning förfarande. Införliva denna metod i tillverkningsprocessen kommer att påskynda utvecklingen av PMMA och COP-baserade mikroflödessystem enheter, och göra det möjligt för forskarna att lättare anta termoplaster i sina mikrofluidikanordning mönster.

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.