Collage de solvant pour la fabrication de PMMA et COP dispositifs microfluidiques

Résumé

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.

Résumé

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.

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

Protocole

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

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. Préparer la presse chauffée (PMMA) ou plaque (pour COP).
   1. 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.
   2. 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.
2. Préparer un solvant pour le processus de liaison.
   1. Pour PMMA, mesurer 0,5 ml d'éthanol par pouce carré de surface de collage.
   2. 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.
3. 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).
   1. 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.
4. 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).
   1. Si vous utilisez des broches d'alignement, aligner les trous pour les broches, et insérez les broches dans la pile de l'appareil.
   2. Si vous utilisez un gabarit personnalisé, insérez la pile de l'appareil dans le gabarit et serrer autour de l'appareil.
   3. Si l'alignement à la main, utilisez les doigts pour aligner les bords extérieurs du dispositif.
5. Placez l'appareil avec un solvant dans la presse pré-chauffée (PMMA) ou sur la plaque pré-chauffée (pour COP).
   1. Pour PMMA, appliquer 2.300 kPa de la pression pendant 2 min.
   2. 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.
6. Utilisez des pinces pour retirer en toute sécurité l'appareil chaud pour inspection. Le collage est maintenant terminée.
7. Retirez tout liquide restant dans le dispositif (dans des microcanaux ou autre featurs).
   1. 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.

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

Résultats

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 périp...

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

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 ...

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

matériels

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.