Bonding solvente per la fabbricazione di PMMA e COP dispositivi microfluidici

Riepilogo

Solvent bonding is a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. We describe a protocol to achieve strong, optically clear bonds in PMMA and COP microfluidic devices that preserve microfeature details, by a judicious combination of pressure, temperature, an appropriate solvent, and device geometry.

Abstract

dispositivi microfluidici termoplastici offrono molti vantaggi rispetto a quelli a base di elastomeri di silicone, ma le procedure di incollaggio devono essere sviluppate per ogni termoplastico di interesse. bonding solvente è un metodo semplice e versatile che può essere utilizzato per fabbricare dispositivi da una varietà di plastiche. Viene aggiunto un solvente appropriato tra due strati di dispositivo da incollare, e il calore e pressione vengono applicati al dispositivo per facilitare l'incollaggio. Utilizzando una combinazione appropriata di solvente, di plastica, il calore e la pressione, il dispositivo può essere sigillato con un legame di alta qualità, caratterizzato come avere una copertura ad alta legame, forza di adesione, la chiarezza ottica, durata nel tempo, e bassa deformazione o danni microfeature geometria. Descriviamo la procedura per dispositivi incollaggio realizzati due termoplastici popolari, poli (metil-metacrilato) (PMMA), e polimeri ciclo-olefina (COP), così come una varietà di metodi per caratterizzare la qualità delle obbligazioni risultanti, e strategie a troubleshoot obbligazioni di bassa qualità. Questi metodi possono essere usati per sviluppare nuovi protocolli bonding solvente per altri sistemi plastica-solvente.

Introduzione

Microfluidica è emerso nel corso degli ultimi venti anni come la tecnologia adatta per lo studio chimica e fisica alla microscala ^1, e con crescente promessa di contribuire in modo significativo alla ricerca di biologia ^2-4. La maggior parte dei dispositivi microfluidici stata storicamente fatta da poli (dimetilsilossano) (PDMS), un elastomero siliconico che è facile da usare, poco costoso, e offre alta qualità funzionalità di replica ^5. Tuttavia, PDMS ha carenze ben documentato ed è incompatibile con elevati volumi di fabbricazione processi ^6,7, e come tale, c'è stata una crescente tendenza fabbricazione di dispositivi microfluidici da materiali termoplastici, a causa del loro potenziale per la produzione di massa e quindi commercializzazione.

Uno dei principali ostacoli alla più ampia adozione di microfabbricazione di plastica sta realizzando facile, incollaggio di alta qualità dei dispositivi di plastica. strategie attuali impiegano tHermal, adesivi, e le tecniche di incollaggio di solventi, ma molti soffrono di sfide significative. Incollaggio termico aumenta autofluorescenza ⁸ e spesso deforma geometrie microcanali ^{9 - 11,} mentre le tecniche adesive richiedono stencil, allineamento preciso, ed infine lasciato lo spessore dell'adesivo esposto al microcanali ^10. Bonding solvente è attraente grazie alla sua semplicità, tunability, e basso costo ^{10,12 - 14.} In particolare, la sua tunability consente ottimizzazione per una varietà di materie plastiche, che possono produrre coerente, bonding alta qualità che riduce al minimo la deformazione di microfeatures ^14.

Durante bonding solvente, esposizione solvente aumenta la mobilità delle catene polimeriche vicino alla superficie della plastica, che permette inter-diffusione catene attraverso l'interfaccia bonding. Questo fa sì che entanglement tramite interblocco meccanico delle catene diffusore e si traduce in aplegame hysical ^10. incollaggio termico funziona in modo simile, ma si basa sulla temperatura elevata solo aumentare la mobilità della catena. Così, metodi termici richiedono temperature prossime o superiori alla transizione vetrosa del polimero, mentre l'uso di solventi può ridurre significativamente la temperatura necessaria per l'incollaggio, e quindi ridurre la deformazione indesiderata.

Forniamo un protocollo specifico per l'incollaggio sia PMMA e dispositivi COP. Tuttavia, questo protocollo e metodo descrive un approccio semplice, generico per incollaggio con solvente di dispositivi microfluidici termoplastici che può essere adattato per altre materie plastiche, solventi e apparecchiature disponibili. Descriviamo numerosi metodi per la valutazione della qualità delle obbligazioni (ad esempio, la copertura legame, forza di adesione, durata legame, e la deformazione di geometrie microfeature), e di fornire approcci di risoluzione dei problemi per affrontare queste sfide comuni.

Protocollo

Si noti che tutti i passi descritti di seguito sono stati sviluppati ed eseguito in un ambiente non-camera sterile. I passi bonding solvente può certamente essere eseguite in una camera sterile, se disponibile, ma questo non è necessario.

1. Preparazione di termoplastici microfluidici Livelli dispositivo

1. Progettare e fabbricare strati dispositivo microfluidica dalla termoplastico di scelta, utilizzando un metodo di fabbricazione adeguato (per esempio, micromilling ^15, goffratura ^{16 - 18,} stampaggio ad iniezione).
2. Visivamente strati di dispositivi per assicurare che i bordi sono "puliti" (cioè, senza sbavature o creste di materiale residuo dal processo di fabbricazione). Per ottenere risultati ottimali, controllare tutti micro-includono bordi lavorati oltre ai bordi esterni del dispositivo al microscopio ottico.
3. Se il materiale residuo viene rilevato durante l'ispezione visiva, usare una lama di rasoio, o bisturi per rimuovere attentamente qualsiasi tappetinoerial che impedisce gli strati del dispositivo dalla disteso uno contro l'altro in modo che le interfacce degli strati entrano in contatto conformazionale.
4. dispositivo di pulire le superfici con sapone di laboratorio e l'acqua e asciugare con aria compressa. Immergere strati dispositivo in 2-propanolo per 2 minuti e asciugare con aria compressa.

2. Bonding solvente

1. Preparare pressa riscaldata (per PMMA) o piastra riscaldante (COP).
   1. Per PMMA (acrilico colato, temperatura di transizione vetrosa ~ 100-110 ° C) ¹⁸ preriscaldamento premere a 70 ° C, e consentire temperatura si stabilizzi.
   2. Per COP (temperatura di transizione vetrosa di 102 ° C, dal produttore), preriscaldare piastra riscaldante a 25 ° C, e consentire temperatura si stabilizzi.
2. Preparare solvente per processo di incollaggio.
   1. Per PMMA, misurare 0,5 ml di etanolo per pollice quadrato di area di incollaggio.
   2. Per COP, preparare una miscela 65:35 di 2-propanolo e cicloesano, ingegnoha volume totale di 0,5 ml della miscela per pollice quadrato di area di incollaggio.
      NOTA: per COP, utilizzare pipette di vetro e contenitori, come cicloesano si dissolverà comune labware polipropilene. Eseguire tutte miscelazione e incollaggio in una cappa aspirante, come cicloesano è tossico.
3. Versare 0,1 ml di solvente per pollice quadrato di area legame tra gli strati di plastica puliti e portare insieme gli strati. Visivamente bolle d'aria all'interfaccia di legame, che sono comuni, e dovrebbero essere rimossi il più possibile.
   NOTA: E 'utile per lavorare rapidamente una volta che il solvente è stato erogato, come solventi volatili cominceranno ad evaporare (e, di conseguenza, miscele di solventi cambieranno in composizione).
   1. Se le bolle sono presenti, far scorrere i due strati di plastica lungo l'interfaccia di legame in modo che quasi si disfano (ma rimanere in contatto), e quindi far scorrere di nuovo insieme.
4. Allineate gli strati del dispositivo con i perni di allineamento,una giga personalizzato, o semplicemente a mano (vedere la sezione di discussione per ulteriori dettagli).
   1. Se utilizzando perni di allineamento, allineare i fori per i perni, e inserire i perni nello stack dispositivo.
   2. Se si utilizza una maschera personalizzata, inserire la pila dispositivo nella maschera e stringere intorno al dispositivo.
   3. Se allineare manualmente, utilizzare le dita per allineare i bordi esterni del dispositivo.
5. Posizionare il dispositivo con solvente nella stampa pre-riscaldato (per PMMA) o sulla piastra di pre-riscaldato (COP).
   1. Per PMMA, applicare 2.300 kPa di pressione per 2 min.
   2. Per COP, applicare 350 kPa di pressione. Aumentare la temperatura da 25 ° C a 70 ° C ad una velocità di 5 ° C / min. Dopo aver raggiunto i 70 ° C (dopo 9 min), legame per altri 15 min.
6. Utilizzare le pinzette per rimuovere in sicurezza il dispositivo caldo per l'ispezione. Bonding è ora completa.
7. Rimuovere eventuali residui di liquido nel dispositivo (in microcanali o altri featurES).
   1. Per PMMA, rimuovere il liquido in eccesso con aria compressa. Per COP, posizionare dispositivo incollato sulla piastra e cuocere in forno a 45 ° C per 24 ore per eliminare ogni residuo di cicloesano.

Risultati

A schematic of the general solvent bonding procedure is shown in Figure 1. The easiest way to assess bond quality is to visually inspect bond coverage, since poor bond coverage is easily visible as regions of unbonded plastic, and is indicative of weak bonding. Such regions are typically near free edges (e.g., periphery of device, or near open ports or microchannels), and can also often appear around any particles of dirt or dust at the bonding interface. Poor bo...

Discussione

The feasibility of potential bonding strategies depends on available equipment. While hotplates are relatively common and free weights can be purchased inexpensively, high pressure strategies will require the use of a heated press. For example, our optimal PMMA bonding recipe requires high pressure to bond with ethanol (see Table 1), and the required pressure is not attainable for typical device sizes using free weights. Thus, if only a hotplate and weights are available, PMMA can instead be bonded with ...

Materiali

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.