Name: solvent bonding for fabrication of pmma and cop microfluidic devices
Uploaded: 2017-01-17T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices at JoVE.com

Nous reconnaissons le soutien financier du Conseil de recherches en génie du Canada (CRSNG, N ° 436117-2013) en sciences naturelles et la Société de recherche sur le cancer (SRC, # 20172), Myélome Canada, et Grands Défis Canada.

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 <ol><li> Concevoir et fabriquer des couches de dispositif microfluidique à partir de la matière thermoplastique de choix, au moyen d&#39; un procé...

<ol>
	<li>Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physics+and+applications+of+microfluidics+in+biology.">Physics and applications of microfluidics in biology.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 4, 261-286 (2002).</li><li>Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Merging+microfluidics+with+microarray-based+bioassays.">Merging microfluidics with microarray-based bioassays.</a> Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).</li><li>Paguirigan, A. L., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+meet+cell+biology:+Bridging+the+gap+by+validation+and+application+of+microscale+techniques+for+cell+biological+assays.">Microfluidics meet cell biology: Bridging the gap by validation and application of microscale techniques for cell biological assays.</a> BioEssays. 30 (9), 811-821 (2008).</li><li>Young, E. W. K., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+microfluidic+cell+culture+in+controlled+microenvironments.">Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments.</a> Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).</li><li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+Microfluidic+Systems+in+Poly(dimethylsiloxane).">Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane).</a> Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).</li><li>Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineers+are+from+PDMS-land,+Biologists+are+from+Polystyrenia.">Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia.</a> Lab on a Chip. 12 (7), 1224-1237 (2012).</li><li>Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+present+and+future+role+of+microfluidics+in+biomedical+research.">The present and future role of microfluidics in biomedical research.</a> Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).</li><li>Young, E. W. K., Berthier, E., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+enhanced+autofluorescence+and+impact+on+cell+microscopy+for+microfabricated+thermoplastic+devices.">Assessment of enhanced autofluorescence and impact on cell microscopy for microfabricated thermoplastic devices.</a> Analytical Chemistry. 85 (1), 44-49 (2013).</li><li>Wallow, T. I., Morales, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-distortion,+high-strength+bonding+of+thermoplastic+microfluidic+devices+employing+case-II+diffusion-mediated+permeant+activation.">Low-distortion, high-strength bonding of thermoplastic microfluidic devices employing case-II diffusion-mediated permeant activation.</a> Lab on a Chip. 7 (12), 1825-1831 (2007).</li><li>Tsao, C. W., DeVoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonding+of+thermoplastic+polymer+microfluidics.">Bonding of thermoplastic polymer microfluidics.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).</li><li>Young, E. W. K., Berthier, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+arrayed+microfluidic+systems+in+polystyrene+for+cell-based+assays.">Rapid prototyping of arrayed microfluidic systems in polystyrene for cell-based assays.</a> Analytical Chemistry. 83 (4), 1408-1417 (2011).</li><li>Truckenm&#252;ller, R., Henzi, P., Herrmann, D., Saile, V., Schomburg, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonding+of+polymer+microstructures+by+UV+irradiation+and+subsequent+welding+at+low+temperatures.">Bonding of polymer microstructures by UV irradiation and subsequent welding at low temperatures.</a> Microsystem Technologies. 10 (5), 372-374 (2004).</li><li>Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+temperature+bonding+of+PMMA+and+COC+microfluidic+substrates+using+UV/ozone+surface+treatment.">Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment.</a> Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).</li><li>Wan, A. M. D., Sadri, A., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+phase+solvent+bonding+of+plastic+microfluidic+devices+assisted+by+retention+grooves.">Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves.</a> Lab on a Chip. 15 (18), 3785-3792 (2015).</li><li>Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromilling:+a+method+for+ultra-rapid+prototyping+of+plastic+microfluidic+devices.">Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).</li><li>Cameron, N. S., Roberge, H., Veres, T., Jakeway, S. C., John Crabtree, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+fidelity,+high+yield+production+of+microfluidic+devices+by+hot+embossing+lithography:+rheology+and+stiction.">High fidelity, high yield production of microfluidic devices by hot embossing lithography: rheology and stiction.</a> Lab on a Chip. 6 (7), 936 (2006).</li><li>Yang, S., Devoe, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+device+fabrication+by+thermoplastic+hot-embossing.">Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing.</a> Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).</li><li>Konstantinou, D., Shirazi, A., Sadri, A., Young, E. W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+hot+embossing+and+milling+for+medium+volume+production+of+thermoplastic+microfluidic+devices.">Combined hot embossing and milling for medium volume production of thermoplastic microfluidic devices.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 234, 209-221 (2016).</li><li>Maszara, W. P., Goetz, G., Caviglia, A., McKitterick, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bonding+of+silicon+wafers+for+silicon-on-insulator.">Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator.</a> Journal of Applied Physics. 64 (10), 4943 (1988).</li><li>Bhattacharyya, A., Klapperich, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+and+chemical+analysis+of+plasma+and+ultraviolet-ozone+surface+treatments+for+thermal+bonding+of+polymeric+microfluidic+devices.">Mechanical and chemical analysis of plasma and ultraviolet-ozone surface treatments for thermal bonding of polymeric microfluidic devices.</a> Lab on a Chip. 7 (7), 876-882 (2007).</li></ol>

La faisabilité des stratégies de liaison potentiels dépend de l&#39;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&#39;utilisation d&#39;une presse chauffée. Par exemple, notre recette optimale de liaison de PMMA nécessite une pression élevée pour lier avec de l&#39; éthanol (voir le tableau 1), et la pression requise ne peut être atteinte pour les ...

Microfluidique a émergé au cours des vingt dernières années comme une technologie bien adaptée pour l&#39; étude de la chimie et de la physique à l&#39; 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&#39;un des principaux obstacles à l&#39;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&#39;épaisseur de l&#39;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&#39;exposition aux solvants augmente la mobilité des chaînes de polymère à la surface de la matière plastique, ce qui permet d&#39;inter-diffusion des chaînes à travers l&#39;interface de collage. Cela provoque l&#39;enchevêtrement par verrouillage mécanique des chaînes diffusant, et se traduit par apliaison hysical 10. la liaison thermique fonctionne d&#39;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&#39;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&#39;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&#39;adhérence, la durabilité des obligations, et la déformation des géométries de microcaractéristiques), et fournir des approches de dépannage pour relever ces défis communs.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>COP</td>
			<td>Zeonor</td>
			<td>604Z1020R080</td>
			<td>20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PMMA</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>8560K173</td>
			<td>1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cyclohexane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>227048</td>
			<td>Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>24102</td>
			<td>Ethanol, absolute, &#8805;99.8% (GC). Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>179124</td>
			<td>Acetone, ACS reagent, &#8805;99.5%. Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>278475</td>
			<td>2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate(s)</td>
			<td>Torrey Pines Scientific</td>
			<td>HP60</td>
			<td>Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Free weights</td>
			<td>Cap Barbell</td>
			<td>RPG#2</td>
			<td>Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heated press</td>
			<td>Carver</td>
			<td>Auto CH</td>
			<td>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).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CNC Milling Machine</td>
			<td>Tormach</td>
			<td>PCNC 770</td>
			<td>3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Endmills</td>
			<td>Various</td>
			<td>Various</td>
			<td>Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

solvent bonding for fabrication of pmma and cop microfluidic devices

dispositifs microfluidiques thermoplastiques offrent de nombreux avantages par rapport à ceux fabriqués à partir d&#39;élastomères de silicone, mais les procédures de liaison doivent être développées pour chaque thermoplastique d&#39;intérêt. collage par solvant est une méthode simple et polyvalent qui peut être utilisé pour fabriquer des dispositifs à partir d&#39;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&#39;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&#39;autres systèmes en plastique-solvant.

Un schéma du solvant , le mode opératoire général de liaison est représentée sur la figure 1. La meilleure façon d&#39;évaluer la qualité des obligations est d&#39;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...

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Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

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&#39;appareil.

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

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

The overall goal of this technique is to provide a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. This solvent bonding procedure will allow us to fabricate well bonded and durable thermoplastic microfluidic devices for a variety of applications from microfluidic cell culture systems to prototypes for point of care diagnostic tools. The main advantage of this technique is that it allows us to quickly and easily bond thermoplastic device layers.The procedure can be easily adapted to bond different thermoplastic materials. Design and fabricate microfluidic device layers from the thermoplastic of choice, using an appropriate fabrication method. Visually inspect the device layers to ensure that edges are clean without burrs or ridges of leftover material from the fabrication process.For best results, check all machined microfeature edges, in addition to the outside edges of the device, under an optical microscope. If leftover material is found during visual inspection, use a razor blade or scalpel to carefully remove any material that prevents the device layers from lying flat against one another so that the interfaces of the layers come into conformal contact. Then, clean the device surfaces with laboratory soap and water.And, dry with compressed air. After submerging the device layers in 2-propanol for two minutes, dry them with compressed air. This video is demonstrated with poly methyl methacrylate, abbreviated PMMA.Please see the text protocol for slight alterations in the procedure when using cyclic olefin polymer, or COP. Preheat, a heated press to 70 degrees celsius and allow the temperature to stabilize. To prepare the solvent for bonding process, measure 0.5 milliliters of ethanol, per square inch of bonding area for PMMA.It's important that an appropriate volume of solvent is applied to the device layers because too much solvent can lead to challenges in aligning layers. Dispense 0.1 milliliters of solvent per square inch of bonding area between cleaned plastic layers and bring the layers together. Visually inspect the bonding interface for air bubbles, which are common and should be removed as much as possible.If bubbles are present, slide the two plastic layers along the bonding interface so that they nearly come apart. And, then, slide them back together. To align the layers of the device by hand, use fingers to align the outer edges of the device.If more accurate alignment is required, include L shaped corner brackets to hold the device layers together. Next, place the device with solvent into the preheated press and apply 2, 300 kPa of pressure for two minutes. Use tweezers to safely remove the hot device for inspection.Bonding is now complete. Finally, remove any remaining liquid in the device using compressed air. Shown here are representative results of a pair of device layers before cleaning and after cleaning.The device layers have been milled to remove burrs. A representative image of a device with solvent added shows bubbles present through the bonding surface that can inhibit bonding. Conversely, well distributed solvent that is free of bubbles leads to strong, high quality bonds.Rapid solvent evaporation, during heating, can lead to regions of unbonded material near free edges of the device, resulting in poor bond coverage, leaky microfluidic features, and low overall bond strength. These regions are visible as lighter patches with colored interference fringes. An optimized solvent plastic system achieves good bond coverage and strength and minimizes damage to microfeatures, while still properly sealing them.Once mastered, a new thermoplastic device design can be fabricated in as little as two hours if the bonding technique is done properly. Remember that working with cyclohexane can be hazardous and should be handled in a fume hood and while wearing personal protective equipment. After watching this video, you will have a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds that are leak free and appropriate for use in cell culture, in point of care diagnostic applications.

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