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

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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 <ol><li> Concepção e fabrico de camadas Dispositivo de microfluidos da termoplástico de escolha, utilizando um método de fabricação adequado (por exemplo, microfres...

<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>

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...

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.

<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

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.

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...

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Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

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.

Bonding solvente para Fabricação de PMMA e COP microfluídicos

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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