PMMAおよびCOPマイクロ流体デバイスの作製のための溶剤接着

要約

溶剤結合は、高品質の結合を有する熱可塑性マイクロ流体デバイスを製造するための簡単で汎用性の高い方法です。私たちは、PMMAに強い、光学的に透明な債券や圧力、温度、適切な溶媒、およびデバイスの幾何学的形状の賢明な組み合わせによって、微細の詳細を保存するCOPマイクロ流体デバイスを実現するためのプロトコルについて説明します。

要約

熱可塑性マイクロ流体デバイスは、シリコーンエラストマーから作られたものよりも多くの利点を提供していますが、ボンディング手順は、関心のある各熱可塑性のために開発されなければなりません。溶剤接着は、プラスチックの様々なデバイスを製造するために使用することができる単純で汎用性の高い方法です。適当な溶媒は、接合すべき2つのデバイス層の間に追加され、熱および圧力は、ボンディングを容易にするために、デバイスに適用されます。溶媒、プラスチック、熱及び圧力の適切な組み合わせを使用することにより、装置は、高品質の結合で密封することができ、微細に高い接着被覆、接着強度、光学的透明性、経時的耐久性、及び低変形または損傷を有することを特徴とジオメトリ。我々は、接合2つの一般的な熱可塑性樹脂から作られたデバイス、ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）、およびシクロオレフィンポリマー（COP）、ならびに得られた結合の品質を特徴付けるための種々の方法、および戦略のための手順を記述しトゥルへ低品質の結合をbleshoot。これらの方法は、他のプラスチック、溶媒系のための新たな溶剤結合プロトコルを開発するために使用することができます。

概要

^{4 -}マイクロフルイディクスは、マイクロスケール¹で、大幅生物学研究に^2を貢献する成長約束で化学と物理学を研究するのに適し技術として、過去20年間に浮上しています。マイクロ流体デバイスの大部分は、歴史的に、（PDMS）、ポリ（ジメチルシロキサン）から、使いやすく安価なシリコーンエラストマーを行い、高品質の特徴の複製^5が提供されています。しかし、PDMSはよく文書欠点を有しており、高容量の製造は^6,7を処理^すると互換性がありません、そのようなものとして、ため大量生産、したがって、商業化のための彼らの潜在的なのは、熱可塑性材料からマイクロ流体デバイスを作製するに向かって成長している傾向がありました。

プラスチック微細加工の広い普及に対する大きな障壁の一つは、プラスチック装置の容易な、高品質の接合を達成されています。現在の戦略はトンを採用しますhermal、接着剤、溶媒結合技術は、多くの重要な課題に悩まされます。接着剤技術はステンシル、慎重な位置合わせを必要とし、最終的にマイクロ流路¹⁰に露出した接着剤の厚さを残しながら^{、11 -}熱結合は自己蛍光^8が増大し、多くの場合、マイクロチャネルの形状^9を変形^させます。 ^{14 -}溶剤接着は、そのシンプルさ、同調性、および低コスト^10,12に魅力的です。具体的には、その同調性は、マイクロ構造¹⁴の変形を最小限に抑え、一貫性のある高品質な接合を得ることができる様々なプラスチックのための最適化を可能にします。

溶剤接合時、溶媒露出が接合界面を横切る鎖の相互拡散を可能にする、プラスチックの表面付近のポリマー鎖の移動度を増大させます。これは、拡散チェーンの機械的連結を介して絡み合いを生じ、およびAPにおける結果hysicalボンド^10。熱接合は、同様に機能するが、連鎖移動性を増加させるだけで、高温に依存します。溶媒の使用が大幅に結合するために必要な温度を低下させる、従って、不要な変形を低減することができ、一方、このように、熱的方法は、ポリマーのガラス転移点付近またはそれ以上の温度を必要とします。

私たちは、PMMAとCOPデバイスの両方を結合するための特定のプロトコルを提供します。しかしながら、このプロトコルおよび方法は、溶媒、他のプラスチック材料に適合させることができる熱可塑性マイクロ流体デバイスのボンディング、溶剤、および利用可能な機器のための簡単な、一般的な方法を記載しています。私たちは、債券の品質を評価するための多数の方法を説明する（ 例えば 、結合カバレッジ、接着強度、接着耐久性、及び微細形状の変形）、およびこれらの共通の課題に対処するためのトラブルシューティングのアプローチを提供します。

プロトコル

以下で説明する手順のすべてを開発し、非クリーンルーム環境で行われていることに注意してください。溶剤結合ステップは、利用可能な場合に必ず、クリーンルームで行うことができるが、これは必須ではありません。

熱可塑性マイクロ流体デバイス層の調製

1. 設計および適切な製造方法を用いて、選択した熱可塑性のマイクロ流体デバイス層を作製する（ 例えば ^、16エンボス^、15マイクロミリング^{- 18、}射出成形）。
2. 視覚的にエッジが「クリーン」であることを確認するために、デバイス層を検査する（ すなわち 、製造工程から無バリや残りの材料の隆起部）。最良の結果を得るために、光学顕微鏡下でデバイスの外側のエッジに加えて、すべての機械加工されたマイクロフィーチャエッジをチェックしてください。
3. 残りの材料を目視検査中に発見された場合、カミソリの刃を使用し、またはメスを十分に行い、マットを削除するには層の界面がコンフォーマルに接触するように互いに対して平らに横たわっているからデバイス層を防ぎerial。
4. クリーンデバイスは、実験室の石鹸と水と圧縮空気で乾燥して表面。 2分間の2-プロパノールにデバイス層を水没し、圧縮空気で乾燥しました。

2.溶剤接着

1. 加熱（PMMA用）プレス又は（COP用）ホットプレートを準備します。
   1. PMMA（キャストアクリル、〜100〜110℃のガラス転移温度^）18予熱プレスを70℃、そして温度を安定させます。
   2. （メーカーから102℃のガラス転移温度）COPのために、25℃にホットプレートを予熱し、温度が安定します。
2. ボンディング工程のための溶媒準備します。
   1. PMMAのために、接合面積の平方インチ当たり0.5mlのエタノールを測定します。
   2. COPは、2-プロパノール、シクロヘキサン、ウィットの65:35混合物を調製接合面積の平方インチ当たりの混合物を0.5mlのHA全容積。
      注：シクロヘキサンは、一般的なポリプロピレンの実験器具を溶解するようCOPについては、ガラスピペットとコンテナを使用します。シクロヘキサンは有毒であるとして、ヒュームフード内のすべての混合との結合を実行します。
3. 清浄プラスチック層の間の接着面積の平方インチ当たり溶媒を0.1ml分配し、層を一緒にもたらします。視覚的に共通であり、可能な限り除去する必要があり、接合界面での気泡、点検します。
   注：揮発性溶媒が蒸発を開始します（したがって、溶媒の混合物が組成物に変更されます）溶媒としては、分配された後に迅速に作業することが有益です。
   1. 気泡が存在する場合、それらはほぼ離れて来るように、接合界面に沿った2つのプラスチック層をスライドさせ（ただし、接触したまま）、その後、戻って一緒にそれらをスライドさせます。
4. 位置合わせピンとデバイスの層を合わせ、カスタム治具、あるいは単に手で（詳細については、議論のセクションを参照）。
   1. 位置合わせピンを使用している場合、ピン用の穴を合わせて、デバイススタックにピンを挿入します。
   2. カスタム治具を使用している場合は、治具にデバイススタックを挿入し、装置の周囲で締めます。
   3. 手で揃える場合は、デバイスの外側のエッジを揃えるために指を使用しています。
5. （PMMA）または（COP用）予備加熱したホットプレート上に予備加熱したプレス内に溶剤を持つデバイスを配置します。
   1. PMMAの場合は、2分間の圧力の2300キロパスカルを適用します。
   2. COPは、圧力の350キロパスカルを適用します。 5℃/分の速度で70℃まで25℃の温度を上げます。 70°C（10分後）に到達した後、さらに15分間の結合。
6. 安全検査のためのホットデバイスを削除するには、ピンセットを使用します。接合が完了しました。
7. マイクロチャネルまたは他のfeaturで（デバイスに残っている液体を除去エス）。
   1. PMMAの場合は、圧縮空気で、残りの液体を除去します。 COPは、任意の残りのシクロヘキサンを除去するために、24時間45℃でホットプレートやベークに貼り付けデバイスを配置します。

結果

一般的な溶剤結合手順の概略を図1に示されています。接合品質を評価するための最も簡単な方法は、貧弱な結合カバレッジは未結合のプラスチックの領域のように簡単に表示されているので、視覚的に、債券のカバレッジを検査することであり、弱い結合の指標です。このような領域は、典型的には、近くの自由端（ 例えば 、デバイスの周辺、?...

ディスカッション

潜在的なボンディング戦略の実現可能性は、利用可能な機器に依存します。ホットプレートは、比較的一般的であり、フリーウェイトが安価に購入することができますが、高圧戦略は、加熱プレス機の使用が必要になります。例えば、我々の最適なPMMA結合レシピエタノール（ 表1参照）と結合するために高い圧力を必要とし、必要な圧力は、フリーウェイトを使用する典型的な?...

資料

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.