מליטה מרככת עבור ייצור של PMMA ו COP מכשירי microfluidic

Summary

מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית עבור בודת מכשירי microfluidic תרמופלסטיים עם אג"ח באיכות גבוהה. אנו מתארים פרוטוקול להשיג חזק, אג"ח ברור אופטי ב PMMA והתקני microfluidic COP המשמרים פרטי microfeature, על ידי שילוב מושכל של לחץ, טמפרטורה, ממס מתאים, וגיאומטריה מכשירה.

Abstract

מכשירי microfluidic תרמופלסטיים מציעים יתרונות רבים על פני אלה עשויים אלסטומרים סיליקון, אך הליכים מליטים יש לפתח עבור כל תרמופלסטיים עניין. מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית שיכול לשמש כדי לפברק מכשירים ממגוון פלסטיק. ממס מתאים מתווסף בין שתי שכבות המכשיר להיות מלוכד, ואת החום ולחץ מוחלים על המכשיר כדי להקל על המליטה. באמצעות שילוב מתאים של ממס, פלסטיק, חום, לחץ, המכשיר יכול להיות אטום עם קשר באיכות גבוהה, מאופיין כבעל כיסוי אג"ח גבוה, חוזק קשר, בהירות אופטית, עמידות לאורך זמן, ועיוות נמוכה או ניזק microfeature גֵאוֹמֶטרִיָה. אנו מתארים את הליך התקנים מליטים עשויים משני תרמופלסטיים פופולריים, פולי (מתיל-methacrylate) (PMMA), ופולימר אולפינים-סקל (COP), כמו גם מגוון רחב של שיטות כדי לאפיין את איכות האג"ח וכתוצאה מכך, ואסטרטגיות כדי Troubleshoot אג"ח באיכות נמוכה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לפתח פרוטוקולים מליטים ממס חדשים למערכות פלסטיק ממסים אחרות.

Introduction

מיקרופלואידיקה התפתחה בעשרים השנים האחרונות כטכנולוגיה גם מתאים ללמוד כימיה ופיזיקה בבית microscale ^1, ועם הבטחה הגוברת לתרום משמעותית למחקר בביולוגיה ^{2 - 4.} רוב תקני microfluidic היסטורי נעשה מתוך פולי (dimethylsiloxane) (PDMS), אלסטומר סיליקון כי הוא קל לשימוש, זול, ומציע שכפול תכונה באיכות גבוהה ^5. עם זאת, PDMS יש מתועד היטב ליקויים אינה עולה בקנה אחד עם ייצור בנפח גבוה תהליכים ^6,7, וככזה, חלה מגמה הולכת וגוברת של בודה מכשירים microfluidic מחומרים תרמופלסטיים, בשל הפוטנציאל שלהם לייצור המוני ובכך מסחור.

אחד המחסומים העיקריים לאימוץ של microfabrication פלסטיק רחב יותר כבר השיג מליט איכות קלה, גבוהה של מכשירי פלסטיק. אסטרטגיות נוכחיות להעסיק thermal, דבק, וטכניקות מליטה ממסות, אך רב סובלים אתגרים משמעותיים. מליטה תרמית מגדיל autofluorescence ⁸ ולעתים קרובות ומעווה גיאומטריות microchannel ^{9 - 11,} בעוד טכניקות דבקות דורשות שבלונות, יישור זהיר, ובסופו של דבר לעזוב את העובי של הדבקה החשופה אל microchannel ^10. מליטה מרכך אטרקטיבית בשל הפשטות שלה, tunability, ועלות נמוכה ^{10,12 - 14.} בפרט, tunability שלה מאפשר אופטימיזציה עבור מגוון רחב של פלסטיק, אשר יכול להניב עקבי, מליט באיכות גבוהה ממזער עיוות של microfeatures ^14.

במהלך מליטה ממסה, וחשיפה לחומריים מגבירה את הניידות של שרשרות פולימר קרוב לפני השטח של הפלסטיק, המאפשר דיפוזיה יתר של רשתות על פני הממשק המליט. זה גורם הסתבכות באמצעות שלובים מכאניים של השרשרות לשדר, ואת תוצאת ap¹⁰ האג"ח hysical. מליטת תרמי עובדת בצורה דומה, אך מסתמכת על טמפרטורה גבוהה לבד להגדיל ניידות שרשרת. לפיכך, שיטות תרמיות דורשות טמפרטורות ליד או מעל מעבר הזכוכית של הפולימר, ואילו השימוש בממסים יכול להפחית באופן משמעותי את הטמפרטורה דרושה מליט, ובכך להפחית עיוות בלתי רצויה.

אנו מספקים פרוטוקול ספציפי עבור מליטה היא PMMA והתקני COP. עם זאת, פרוטוקול זה ושיטה מתארים גישה פשוטה, גנרי מליט ממס של מכשירי microfluidic תרמופלסטיים כי ניתן להתאים חומרים פלסטיים אחרים, ממסים, וציוד זמין. אנו מתארים שיטות רבות להערכת האיכות של אג"ח (למשל, כיסוי אג"ח, חוזק קשר, עמידות אג"ח, דפורמציה של גיאומטריות microfeature), ולספק גישות לפתרון בעיות כדי לטפל באתגרים אלה נפוצים.

Protocol

שים לב כי כל הצעדים המתוארים להלן פותחו וביצע בסביבה לא-חדר נקי. השלבים המליטים הממס יכולים בהחלט להתבצע cleanroom, אם הוא זמין, אך הדבר אינו הכרחי.

1. הכנת שכבות המכשיר microfluidic תרמופלסטיים

1. עיצוב לפברק שכבות מכשיר microfluidic מן תרמופלסטיים של בחירה, באמצעות שיטת ייצור מתאימה (למשל, micromilling ^15, בלטות ^{16 - 18,} הזרקה).
2. ראייה לבדוק שכבות המכשיר על מנת להבטיח כי קצוות הם "נקיים" (כלומר, לא קוצים או רכסים של חומר שאריות מתהליך הייצור). לקבלת התוצאות הטובות ביותר, לבדוק את כל הקצוות מיקרו-תכונה במכונה בנוסף בקצוות החיצוניים של המכשיר תחת מיקרוסקופ אופטי.
3. אם חומר שאריות נמצא במהלך בדיקה חזותית, השתמש סכין גילוח, או אזמל כדי להסיר כל מחצלת בזהירותerial שמונעת שכבות המכשיר לנוח שטוחה נגד אחד אחר כך הממשקים של שכבות באים במגע קונפורמי.
4. מכשיר לניקוי משטחים עם סבון מעבדה ומים ויבש עם אוויר דחוס. לצלול שכבות מכשיר 2-propanol למשך 2 דקות ויבשות עם אוויר דחוס.

2. Bonding מרכך

1. כן עיתונות מחוממת (עבור PMMA) או פלטה חשמלית (עבור COP).
   1. לקבלת PMMA (אקריליק היצוק, טמפרטורת מעבר כוס ~ 100-110 מעלות צלזיוס) ¹⁸ עיתונאים מחממים עד 70 מעלות צלזיוס, ולאפשר טמפרטורה לייצב.
   2. עבור COP (טמפרטורת המעבר זכוכית של 102 מעלות צלזיוס, מיצרן), מחממים פלטה חשמלית ל -25 מעלות צלזיוס, ולאפשר הטמפרטורה לייצב.
2. כן ממס עבור תהליך מליט.
   1. לקבלת PMMA, למדוד 0.5 מ"ל של אתנול לאינץ 'מרובע של שטח מליטה.
   2. עבור COP, להכין תערובת 65:35 של 2-propanol ו cyclohexane, שנינותחה נפח כולל של 0.5 מיליליטר של התערובת לאינץ 'מרובע של שטח מליט.
      הערה: לקבלת COP, משתמשת זכוכית טפטפות ומכולות, כמו cyclohexane תתמוסס מעבדתי פוליפרופילן משותפת. בצע את כל הערבוב המליט במנדף, כמו cyclohexane הוא רעיל.
3. לוותר 0.1 מיליליטר של ממס לאינץ 'מרובע של שטח מליט בין שכבות פלסטיק לנקות ולהביא את השכבות יחד. ראייה לבדוק בועות אוויר על הממשק המליט, אשר נפוצות, ויש להסירם ככל האפשר.
   הערה: זה מועיל לעבוד במהירות ברגע הממס כבר לוותר, כמו ממסים נדיפים יתחילו להתאדות (ומכאן, תערובות ממסות תשתנינה רכב).
   1. אם בועות נוכחות, והחלק את שתי שכבות פלסטיק לאורך הממשק המליט כך שהם כמעט מתפרקים (אבל לשמור על קשר), ולאחר מכן להחליק אותם שוב ביחד.
4. יישר את השכבות של המכשיר עם סיכות יישור,לנענע מותאם אישית, או פשוט על ידי יד (ראה סעיף דיון לפרטים נוספים).
   1. אם באמצעות סיכות יישור, יישר את החורים של הפינים, והכנס את הסיכות לתוך הערימה המכשירה.
   2. אם אתה משתמש לנענע מותאם אישית, הכנס את מחסנית המכשיר לתוך לנענע והדק סביב המכשיר.
   3. אם יישור ביד, להשתמש באצבעות כדי ליישר את הקצוות החיצוניים של המכשיר.
5. מניחים את המכשיר עם הממס לתוך העיתונות מחומם מראש (עבור PMMA) או על פלטה חשמלית מחומם מראש (עבור COP).
   1. לקבלת PMMA, להחיל 2,300 kPa בלחץ למשך 2 דקות.
   2. עבור COP, להחיל 350 kPa בלחץ. העלו את הטמפרטורה מ -25 ° C עד 70 ° C בשיעור של 5 ° C / min. לאחר שהגיע 70 ° C (לאחר 9 דקות), ואג"ח בהיקף של 15 דקות נוספות.
6. להשתמש בפינצטה כדי להסיר את ההתקן החם בבטחה לבדיקה. Bonding הושלמה.
7. הסר את כל הנוזל הנותר במכשיר (ב microchannels או featur אחריםes).
   1. לקבלת PMMA, להסיר כל נוזל הנותר עם אוויר דחוס. עבור COP, במקום התקן מלוכדות על פלטה חמה ואופים בחום של 45 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי להסיר כל cyclohexane הנותרים.

תוצאות

סכמטי של ההליך המליט הממס הכללי מוצג באיור 1. הדרך הקלה ביותר כדי להעריך את איכות קשר היא לבדוק כיסוי אג"ח חזותי, מאז כיסוי אג"ח העני גלוי בקלות כאזורים של פלסטיק לא מחובר, והוא מעיד על מליטה חלשה. אזורים כאלה הם בדרך כלל בקצוות חינם ליד

Discussion

היתכנותו של אסטרטגיות מליטה הפוטנציאל תלוי הציוד זמין. בעוד כיריים הן תופעה שכיחות יחסית ומשקולת ניתן לרכוש בזול, אסטרטגיות בלחץ גבוה תחייבנה את השימוש של עיתונות מחוממת. לדוגמא, מתכון מליטת PMMA האופטימלי שלנו דורש בלחץ גבוה כדי להתחבר עם אתנול (ראה טבלה 1), ו?...

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.