JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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

  1. تصميم وتصنيع طبقات جهاز ميكروفلويديك من لدن الاختيار، باستخدام أسلوب تلفيق المناسب (على سبيل المثال، micromilling 15، النقش 16-18، حقن صب).
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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

  1. إعداد الصحافة ساخنة (لPMMA) أو موقد (لمؤتمر الأطراف).
    1. لPMMA (يلقي الاكريليك، ودرجة حرارة التحول الزجاجي من ~ 100-110 درجة مئوية) 18 سخن الصحافة إلى 70 درجة مئوية، وتسمح درجة الحرارة لتحقيق الاستقرار.
    2. لمؤتمر الأطراف (درجة حرارة التحول الزجاجي من 102 درجة مئوية، من الشركة المصنعة)، سخن موقد إلى 25 درجة مئوية، وتسمح درجة الحرارة لتحقيق الاستقرار.
  2. إعداد مذيب لعملية الربط.
    1. لPMMA، وقياس 0.5 مل من الايثانول لكل بوصة مربعة من منطقة الترابط.
    2. 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.
  3. 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).
    1. 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.
  4. محاذاة طبقات من الجهاز مع دبابيس المحاذاة،رقصة العرف، أو ببساطة عن طريق اليد (انظر القسم مناقشة لمزيد من التفاصيل).
    1. إذا باستخدام دبابيس المحاذاة، محاذاة ثقوب الدبابيس، وإدراج دبابيس في كومة الجهاز.
    2. في حالة استخدام العرف تهزهز، إدراج كومة الجهاز في رقصة وتشديد حول الجهاز.
    3. إذا مواءمة باليد، واستخدام الأصابع لمحاذاة الحواف الخارجية للجهاز.
  5. وضع الجهاز مع المذيب إلى الصحافة قبل ساخنة (لPMMA) أو على موقد قبل ساخنة (لمؤتمر الأطراف).
    1. لPMMA، تطبيق 2300 كيلو باسكال الضغط لمدة 2 دقيقة.
    2. 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.
  6. استخدام ملاقط لإزالة بأمان الجهاز الساخن للتفتيش. الرابطة اكتمال الآن.
  7. إزالة أي السائل المتبقي في الجهاز (في microchannels أو غيرها من الملامحالخانات).
    1. 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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

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 ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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 الإي?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الكتاب تعلن أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

Acknowledgements

ونحن نعترف بدعم مالي من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC، # 436117-2013)، وجمعية أبحاث السرطان (CRS، # 20172)، المايلوما كندا، والتحديات الكبرى كندا.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
COPZeonor604Z1020R08020 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
PMMAMcMaster Carr8560K1731.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.
CyclohexaneSigma-Aldrich227048Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood.
EthanolSigma-Aldrich24102Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used.
AcetoneSigma-Aldrich179124Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used.
2-PropanolSigma-Aldrich2784752-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used.
Hot plate(s)Torrey Pines ScientificHP60Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used.
Free weightsCap BarbellRPG#2Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used.
Heated pressCarverAuto CHAuto 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 MachineTormachPCNC 7703 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used.
EndmillsVariousVariousRequired sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used.

References

  1. 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).
  2. Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
  3. 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).
  4. Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

119 microfluidics PMMA

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved