Unión con disolvente para la fabricación de PMMA y CP dispositivos de microfluidos

Resumen

unión con disolvente es un método sencillo y versátil para la fabricación de dispositivos microfluídicos termoplásticos con enlaces de alta calidad. Se describe un protocolo para lograr enlaces fuertes, ópticamente transparentes en PMMA y dispositivos de microfluidos de la COP que preservan detalles microfeature, por una combinación juiciosa de presión, temperatura, un disolvente apropiado, y la geometría del dispositivo.

Resumen

dispositivos de microfluidos termoplásticos ofrecen muchas ventajas sobre aquellos hechos de elastómeros de silicona, pero los procedimientos de unión deben ser desarrollados para cada termoplástica de interés. unión con disolvente es un método sencillo y versátil que puede utilizarse para fabricar dispositivos a partir de una variedad de plásticos. Se añade un disolvente apropiado entre dos capas de dispositivos que han de unirse, y el calor y la presión se aplica al dispositivo para facilitar la unión. Mediante el uso de una combinación apropiada de disolvente, de plástico, el calor y la presión, el dispositivo se puede sellar con un enlace de alta calidad, que se caracteriza por tener una alta cobertura de enlace, resistencia de la unión, la claridad óptica, durabilidad en el tiempo, y baja deformación o daño a microfeature geometría. Se describe el procedimiento para los dispositivos de unión hechas de dos termoplásticos populares, poli (metil-metacrilato) (PMMA), y polímeros de ciclo-olefina (COP), así como una variedad de métodos para caracterizar la calidad de las uniones resultantes, y estrategias a troubleshoot bonos de baja calidad. Estos métodos se pueden utilizar para el desarrollo de nuevos protocolos de unión con disolvente para otros sistemas de plástico en disolventes.

Introducción

Microfluídica ha surgido en los últimos veinte años como una tecnología muy adecuada para el estudio de la química y la física en la microescala ^1, y con el crecimiento de la promesa de contribuir significativamente a la investigación en biología ^{de 2 - 4.} La mayoría de los dispositivos de microfluidos históricamente se han hecho a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), un elastómero de silicona que es fácil de usar, de bajo costo, y ofrece la replicación característica de alta calidad ^5. Sin embargo, ha PDMS deficiencias bien documentado y es incompatible con la fabricación de alto volumen procesa ^6,7, y, como tal, ha habido una tendencia creciente hacia la fabricación de dispositivos de microfluidos a partir de materiales termoplásticos, debido a su potencial para la fabricación en masa y por lo tanto la comercialización.

Una de las principales barreras para la adopción más amplia de microfabricación de plástico ha sido el logro de fácil unión, la calidad alta de dispositivos de plástico. Las estrategias actuales emplean thermal, adhesivo, y las técnicas de unión por disolvente, pero muchos sufren de importantes desafíos. La unión térmica aumenta la autofluorescencia ⁸ y, a menudo deforma geometrías de microcanales ^9-11, mientras que las técnicas adhesivas requieren plantillas, alineación cuidadosa, y en última instancia dejar el espesor del adhesivo expuesto al microcanal ^10. Unión con disolvente es atractivo debido a su simplicidad, capacidad de ajuste, y el bajo costo ^{10,12 - 14.} En particular, su capacidad de ajuste permite la optimización para una variedad de plásticos, que puede producir la unión consistente, de alta calidad que minimiza la deformación de microfeatures ^14.

Durante unión con disolvente, la exposición a disolventes aumenta la movilidad de las cadenas de polímero cerca de la superficie del plástico, lo que permite inter-difusión de las cadenas a través de la interfaz de unión. Esto hace que el entrelazamiento a través de enclavamiento mecánico de las cadenas de difusión, y resulta en apvínculo ÍSICA ^10. La unión térmica funciona de una manera similar, pero se basa en la temperatura elevada solo para aumentar la movilidad de la cadena. Por lo tanto, los métodos térmicos requieren temperaturas cerca o por encima de la transición vítrea del polímero, mientras que el uso de disolventes puede reducir significativamente la temperatura necesaria para la unión, y por lo tanto reducir la deformación no deseada.

Proporcionamos un protocolo específico para la unión de ambas PMMA y dispositivos de la COP. Sin embargo, este protocolo y método describe un método sencillo y genérico para la unión con disolvente de dispositivos de microfluidos termoplásticos que se pueden adaptar para otros materiales plásticos, solventes, y los equipos disponibles. Se describen numerosos métodos para evaluar la calidad de los enlaces (por ejemplo, la cobertura de bonos, fuerza de adhesión, durabilidad de la unión, y la deformación de geometrías microfeature), y proporcionar enfoques de solución de problemas para hacer frente a estos desafíos comunes.

Protocolo

Nótese que todos los pasos que se describen a continuación se han desarrollado y realizado en un entorno no-sala limpia. Los pasos unión con disolvente sin duda se pueden realizar en una sala limpia, si está disponible, pero esto no es necesario.

1. Preparación de termoplástico microfluidos de capas de Dispositivos

1. Diseño y fabricar capas de dispositivos de microfluidos del termoplástico de elección, utilizando un método de fabricación adecuado (por ejemplo, microfresa ^15, gofrado ^{16 - 18,} moldeo por inyección).
2. Una inspección visual de las capas de dispositivos para asegurarse de que los bordes estén "limpios" (es decir, no hay rebabas o aristas de material sobrante del proceso de fabricación). Para obtener los mejores resultados, compruebe que todos los bordes de micro-mecanizado de características, además de los bordes exteriores del dispositivo bajo un microscopio óptico.
3. Si se encuentra material sobrante durante la inspección visual, utilizar una hoja de afeitar, o un bisturí para eliminar cuidadosamente el paspartúerial que evita que las capas de dispositivos por haber estado acostado uno contra el otro por lo que las interfaces de las capas entran en contacto conforme.
4. dispositivo de limpieza de superficies con jabón de laboratorio y agua y secar con aire comprimido. Sumergir capas de dispositivos en 2-propanol durante 2 min y secar con aire comprimido.

2. unión con disolvente

1. Preparar prensa calentada (por PMMA) o placa de cocción (por COP).
   1. Para PMMA (acrílico fundido, temperatura de transición vítrea de ~ 100-110 ° C) ¹⁸ de precalentamiento de prensa a 70 ° C, y permitir que la temperatura se estabilice.
   2. Para COP (temperatura de transición vítrea de 102 ° C, desde el fabricante), precalentar placa caliente a 25 ° C, y permitir que la temperatura se estabilice.
2. Preparar disolvente para proceso de unión.
   1. Para PMMA, medir 0,5 ml de etanol por pulgada cuadrada de área de unión.
   2. Para la COP, preparar una mezcla 65:35 de 2-propanol y ciclohexano, ingenioha volumen total de 0,5 ml de la mezcla por pulgada cuadrada de área de unión.
      NOTA: Para la CP, utilizar pipetas de vidrio y contenedores, como ciclohexano se disuelve el material de laboratorio polipropileno común. Realizar todas las mezclas y la unión en una campana de extracción, como ciclohexano es tóxico.
3. Dispensar 0,1 ml de disolvente por pulgada cuadrada de área de unión entre las capas de plástico limpiado y llevar las capas juntas. Realice una inspección visual de las burbujas de aire en la interfaz de unión, que son comunes, y se deberían eliminar tanto como sea posible.
   NOTA: Es beneficioso trabajar rápidamente una vez que el disolvente se ha dispensado, como disolventes volátiles comenzarán a evaporar (y por lo tanto, mezclas de disolventes cambiarán en la composición).
   1. Si hay burbujas, deslice las dos capas de plástico a lo largo de la interfaz de unión de modo que casi se separan (pero permanecer en contacto), y luego deslice de nuevo juntos.
4. Alinear las capas del dispositivo con clavijas de alineación,una plantilla de encargo, o simplemente con la mano (ver sección de debate para más detalles).
   1. Si el uso de pasadores de alineación, alinear los agujeros para los pasadores, e inserte las clavijas en la pila de dispositivos.
   2. Si se utiliza una plantilla personalizada, inserte la pila de dispositivos en la plantilla y apriete alrededor del dispositivo.
   3. Si la alineación con la mano, use los dedos para alinear los bordes exteriores del dispositivo.
5. Coloque el dispositivo con el disolvente en la prensa precalentado (por PMMA) o sobre la placa calefactora precalentada (por COP).
   1. Para PMMA, aplicar 2.300 kPa de presión durante 2 minutos.
   2. Para la COP, se aplican 350 kPa de presión. Aumentar la temperatura de 25 ° C a 70 ° C a una velocidad de 5 ° C / min. Después de alcanzar 70 ° C (después de 9 min), fianza por 15 minutos más.
6. Utilizar pinzas para quitar con seguridad el dispositivo caliente para su inspección. La vinculación es ahora completa.
7. Eliminar todo el líquido que queda en el dispositivo (en microcanales u otros features).
   1. Para PMMA, eliminar todo el líquido restante con aire comprimido. Para la COP, coloque el dispositivo en condiciones de servidumbre en la zona de cocción y cocer al horno a 45 ° C durante 24 horas para eliminar cualquier resto de ciclohexano.

Resultados

Un esquema del procedimiento general unión con disolvente se muestra en la Figura 1. La forma más fácil de evaluar la calidad de la unión es inspeccionar visualmente la cobertura de bonos, ya que la escasa cobertura de enlace es fácilmente visible como regiones de plástico no unido, y es indicativo de unión débil. Tales regiones son típicamente cerca de los bordes libres (por ejemplo, la periferia de dispositivo, o cerca de los puertos abiertos o microc...

Discusión

La viabilidad de las estrategias potenciales de unión depende del equipo disponible. Mientras fogones son relativamente comunes y pesas se puede comprar barato, las estrategias de alta presión se requiere el uso de una prensa calentada. Por ejemplo, nuestra receta óptima unión PMMA requiere alta presión para unir con etanol (ver Tabla 1), y la presión requerida no es alcanzable para los tamaños de los dispositivos típicos utilizando pesas libres. Por lo tanto, si solamente una placa de cocción ...

Materiales

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.