Bonding solvente para Fabricação de PMMA e COP microfluídicos

Resumo

colagem solvente é um método simples e versátil para a fabricação de dispositivos microfluídicos termoplásticos com títulos de alta qualidade. Nós descrevemos um protocolo para alcançar laços fortes, opticamente transparentes em PMMA e dispositivos microfluídicos COP que preservam detalhes microfeature, por uma combinação judiciosa de pressão, temperatura, num solvente apropriado, e da geometria do dispositivo.

Resumo

microcanais termoplásticos oferecem muitas vantagens sobre aqueles feitos a partir de elastómeros de silicone, mas os procedimentos de ligação deve ser desenvolvida para cada um termoplástico de interesse. ligação por solvente é um método simples e versátil, que pode ser utilizado para fabricar os dispositivos a partir de uma variedade de plásticos. Um solvente apropriado é adicionado entre as duas camadas do dispositivo a ser ligado, e o calor e a pressão são aplicadas ao dispositivo, para facilitar a ligação. Através da utilização de uma combinação apropriada de solvente, de plástico, de calor e pressão, o dispositivo pode ser selado com uma ligação de alta qualidade, caracterizado por ter uma alta cobertura de ligação, força de ligação, claridade óptica, durabilidade ao longo do tempo, e baixa deformação ou danos para microfeature geometria. Descreve-se o procedimento para os dispositivos de ligação fabricados a partir de materiais termoplásticos conhecidos, poli (metil-metacrilato) (PMMA), e polímeros de ciclo-olefina (COP), bem como uma variedade de métodos para caracterizar a qualidade das ligações resultantes, e estratégias para troubleshoot títulos de baixa qualidade. Estes métodos podem ser utilizados para desenvolver novos protocolos de ligação por solvente para outros sistemas de plástico de solvente.

Introdução

Microfluídica tem emergido nos últimos vinte anos como uma tecnologia adequada para estudar química e física em microescala ^1, e com a promessa de crescimento para contribuir significativamente para a biologia da pesquisa ^2-4. A maioria dos dispositivos de microfluidos foram historicamente feita a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), um elastómero de silicone que é fácil de usar, de baixo custo, e oferece a replicação característica de alta qualidade ^5. No entanto, o PDMS tem deficiências bem documentado e é incompatível com a fabricação de alto volume processa ^6,7, e, como tal, tem havido uma tendência crescente para a fabricação de dispositivos de microfluidos de materiais termoplásticos, devido ao seu potencial para a fabricação de massa e, assim, a comercialização.

Uma das principais barreiras para a adoção mais ampla de microfabricação de plástico vem alcançando fácil ligação qualidade, alta de dispositivos de plástico. As estratégias atuais empregam tHermal, adesiva, e as técnicas de ligação de solventes, mas muitos sofrem de desafios significativos. A ligação térmica aumenta a autofluorescência ⁸ e muitas vezes deforma geometrias de microcanais ^9-11, enquanto que as técnicas adesivas requerem stencils, o alinhamento cuidadoso e, finalmente deixar a espessura do adesivo exposto ao microcanal ^10. Colagem solvente é atraente devido à sua simplicidade, tunability, e baixo custo de ^{10,12 - 14.} Em particular, a sua tunability permite a optimização para uma variedade de plásticos, que pode produzir consistente qualidade de ligação, elevada que minimiza a deformação da microcaracterísticas ^14.

Durante a ligação por solvente, a exposição a solventes aumenta a mobilidade das cadeias de polímero perto da superfície do plástico, o que permite a inter-difusão de cadeias através do interface de ligação. Isto faz com que por meio de emaranhamento de bloqueio mecânico das cadeias de difusora, e resulta em APvínculo hysical ^10. A ligação térmica funciona de uma maneira semelhante, mas baseia-se na temperatura elevada por si só para aumentar a mobilidade da cadeia. Assim, os métodos térmicos requerem temperaturas próximas ou acima da transição de vidro do polímero, ao passo que o uso de solventes pode reduzir significativamente a temperatura necessária para a ligação e, assim, reduzir a deformação indesejada.

Nós fornecemos um protocolo específico para a colagem de ambos os dispositivos COP PMMA e. No entanto, este protocolo e método descreve uma abordagem simples, genérico para a ligação de solvente de dispositivos microfluídicos termoplásticos que pode ser adaptado para outros materiais plásticos, solventes e equipamento disponível. Nós descrevemos vários métodos para avaliar a qualidade de ligações (por exemplo, a cobertura de ligação, resistência de união, durabilidade bond, e deformação das geometrias microfeature), e fornecer abordagens de solução de problemas para resolver estes desafios comuns.

Protocolo

Note-se que todos os passos descritos abaixo, foram desenvolvidos e realizados num ambiente não-salas limpas. Os passos de ligação de solventes pode certamente ser realizada de uma sala limpa, se disponível, mas isso não é necessário.

1. Preparação de camadas do dispositivo termoplástico microfluídicos

1. Concepção e fabrico de camadas Dispositivo de microfluidos da termoplástico de escolha, utilizando um método de fabricação adequado (por exemplo, microfresagem ^15, gravação em relevo ^16-18, moldagem por injecção).
2. Inspecione visualmente camadas de dispositivos para garantir que as bordas são "limpas" (isto é, sem rebarbas ou saliências de material restante do processo de fabricação). Para obter melhores resultados, verifique todas as arestas em recursos micro usinadas, além das bordas externas do dispositivo sob um microscópio óptico.
3. Se o material restante é encontrado durante a inspeção visual, use uma lâmina de barbear ou bisturi para remover cuidadosamente qualquer material que impede que as camadas do dispositivo a partir deitado uma contra a outra de modo que as interfaces das camadas entram em contacto conformada.
4. dispositivo de limpar as superfícies com sabão de laboratório e água e seque com ar comprimido. Submergir camadas de dispositivos em 2-propanol durante 2 minutos e seque com ar comprimido.

2. colagem por solvente

1. Prepare prensa aquecida (para PMMA) ou placa de aquecimento (para COP).
   1. Por PMMA (acrílico fundido, temperatura de transição de vidro de ~ 100-110 ° C) ¹⁸ de pré-aquecimento prima a 70 ° C, e permitir que a temperatura estabilize.
   2. Para COP (temperatura de transição vítrea de 102 ° C, a partir do fabricante), pré-aquecer placa de aquecimento a 25 ° C, e permitir que a temperatura estabilize.
2. Prepare solvente para processo de colagem.
   1. Para PMMA, medir 0,5 ml de etanol por polegada quadrada de área de colagem.
   2. Para COP, prepare uma mistura 65:35 de 2-propanol e ciclo-hexano, sagacidadeha volume total de 0,5 ml da mistura por polegada quadrada da área de adesão.
      NOTA: Para COP, utilize pipetas de vidro e recipientes, como ciclo-hexano vai dissolver o material de laboratório polipropileno comum. Executar todas mistura e colagem numa hotte, como ciclo-hexano é tóxico.
3. Pipetar 0,1 ml de solvente por polegada quadrada de área de adesão entre as camadas de plástico limpas e trazer as camadas em conjunto. Verifique visualmente se bolhas de ar na interface de ligação, que são comuns e devem ser removidos, tanto quanto possível.
   NOTA: É vantajoso trabalhar rapidamente uma vez que o solvente tenha sido distribuído, como solventes voláteis começará a evaporar-se (e, por conseguinte, misturas de solventes mudará na composição).
   1. Se as bolhas estão presentes, deslize as duas camadas de plástico ao longo da interface de ligação de modo que eles quase se desfazer (mas permanecer em contato) e, em seguida, deslize-los juntos novamente.
4. Alinhar as camadas do dispositivo com pinos de alinhamento,um gabarito personalizado, ou simplesmente com a mão (ver secção Discussão para mais detalhes).
   1. Se usar pinos de alinhamento, alinhe os furos para os pinos, e insira os pinos na pilha do dispositivo.
   2. Se estiver usando um gabarito personalizado, insira a pilha do dispositivo para o gabarito e aperte em torno do dispositivo.
   3. Se o alinhamento com a mão, usar os dedos para alinhar as bordas exteriores do dispositivo.
5. Coloque o dispositivo com solvente para a imprensa pré-aquecido (para PMMA) ou sobre a placa de aquecimento pré-aquecido (para COP).
   1. Por PMMA, aplicam-se 2300 kPa de pressão durante 2 minutos.
   2. Para COP, aplicar 350 kPa de pressão. Aumentar a temperatura de 25 ° C a 70 ° C a uma velocidade de 5 ° C / min. Depois de atingir 70 ° C (depois de 9 minutos), a ligação para um adicional de 15 min.
6. Use uma pinça para remover com segurança o dispositivo quente para inspeção. A ligação é agora completa.
7. Remover restos de líquido no dispositivo (em microcanais ou outras features).
   1. Para PMMA, remover qualquer líquido restante com ar comprimido. Para COP, colocar o dispositivo ligado na placa de aquecimento e leve ao forno a 45 ° C durante 24 horas para remover qualquer ciclohexano restante.

Resultados

Um diagrama esquemático do processo de colagem por solvente geral é mostrada na Figura 1. A maneira mais fácil de avaliar a qualidade do vínculo é inspecionar visualmente a cobertura de obrigações, uma vez que a cobertura pobre ligação é facilmente visível como regiões de plástico unbonded, e é indicativo de vínculo fraco. Essas regiões são tipicamente bordas livres perto (por exemplo, periferia do dispositivo, ou próximo portas abertas ou micr...

Discussão

A viabilidade das estratégias de ligação potenciais depende de equipamentos disponíveis. Enquanto placas são relativamente comuns e pesos livres podem ser comprados a baixo custo, as estratégias de alta pressão vai requerer o uso de uma prensa aquecida. Por exemplo, a ligação óptima receita PMMA requer alta pressão para ligar-se com etanol (ver Tabela 1), e a pressão necessária não é atingível para os tamanhos dos dispositivos típicos usando pesos livres. Assim, mesmo que apenas uma pla...

Materiais

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.