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

Reconocemos el apoyo financiero de las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (NSERC, # 436117 hasta 2.013), la Sociedad de Investigación del Cáncer (CRS, # 20172), Mieloma Canadá y Gran Desafíos Canadá.

Nótese que todos los pasos que se describen a continuación se han desarrollado y realizado en un entorno no-sala limpia. Los pasos unión con disolvente sin duda se pueden realizar en una sala limpia, si está disponible, pero esto no es necesario. 1. Preparación de termoplástico microfluidos de capas de Dispositivos <ol><li> Diseño y fabricar capas de dispositivos de microfluidos del termoplástico de elección, utilizando un método de fabricación adecuado (por ejemplo, mi...

<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. 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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 viabilidad de las estrategias potenciales de unión depende del equipo disponible. Mientras fogones son relativamente comunes y pesas se puede comprar barato, las estrategias de alta presión se requiere el uso de una prensa calentada. Por ejemplo, nuestra receta óptima unión PMMA requiere alta presión para unir con etanol (ver Tabla 1), y la presión requerida no es alcanzable para los tamaños de los dispositivos típicos utilizando pesas libres. Por lo tanto, si solamente una placa de cocción ...

Microfluídica ha surgido en los últimos veinte años como una tecnología muy adecuada para el estudio de la química y la física en la microescala 1, y con el crecimiento de la promesa de contribuir significativamente a la investigación en biología de 2 - 4. La mayoría de los dispositivos de microfluidos históricamente se han hecho a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), un elastómero de silicona que es fácil de usar, de bajo costo, y ofrece la replicación característica de alta calidad 5. Sin embargo, ha PDMS deficiencias bien documentado y es incompatible con la fabricación de alto volumen procesa 6,7, y, como tal, ha habido una tendencia creciente hacia la fabricación de dispositivos de microfluidos a partir de materiales termoplásticos, debido a su potencial para la fabricación en masa y por lo tanto la comercialización. Una de las principales barreras para la adopción más amplia de microfabricación de plástico ha sido el logro de fácil unión, la calidad alta de dispositivos de plástico. Las estrategias actuales emplean thermal, adhesivo, y las técnicas de unión por disolvente, pero muchos sufren de importantes desafíos. La unión térmica aumenta la autofluorescencia 8 y, a menudo deforma geometrías de microcanales 9-11, mientras que las técnicas adhesivas requieren plantillas, alineación cuidadosa, y en última instancia dejar el espesor del adhesivo expuesto al microcanal 10. Unión con disolvente es atractivo debido a su simplicidad, capacidad de ajuste, y el bajo costo 10,12 - 14. En particular, su capacidad de ajuste permite la optimización para una variedad de plásticos, que puede producir la unión consistente, de alta calidad que minimiza la deformación de microfeatures 14. Durante unión con disolvente, la exposición a disolventes aumenta la movilidad de las cadenas de polímero cerca de la superficie del plástico, lo que permite inter-difusión de las cadenas a través de la interfaz de unión. Esto hace que el entrelazamiento a través de enclavamiento mecánico de las cadenas de difusión, y resulta en apvínculo ÍSICA 10. La unión térmica funciona de una manera similar, pero se basa en la temperatura elevada solo para aumentar la movilidad de la cadena. Por lo tanto, los métodos térmicos requieren temperaturas cerca o por encima de la transición vítrea del polímero, mientras que el uso de disolventes puede reducir significativamente la temperatura necesaria para la unión, y por lo tanto reducir la deformación no deseada. Proporcionamos un protocolo específico para la unión de ambas PMMA y dispositivos de la COP. Sin embargo, este protocolo y método describe un método sencillo y genérico para la unión con disolvente de dispositivos de microfluidos termoplásticos que se pueden adaptar para otros materiales plásticos, solventes, y los equipos disponibles. Se describen numerosos métodos para evaluar la calidad de los enlaces (por ejemplo, la cobertura de bonos, fuerza de adhesión, durabilidad de la unión, y la deformación de geometrías microfeature), y proporcionar enfoques de solución de problemas para hacer frente a estos desafíos comunes.

<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

dispositivos de microfluidos termoplásticos ofrecen muchas ventajas sobre aquellos hechos de elastómeros de silicona, pero los procedimientos de unión deben ser desarrollados para cada termoplástica de interés. unión con disolvente es un método sencillo y versátil que puede utilizarse para fabricar dispositivos a partir de una variedad de plásticos. Se añade un disolvente apropiado entre dos capas de dispositivos que han de unirse, y el calor y la presión se aplica al dispositivo para facilitar la unión. Mediante el uso de una combinación apropiada de disolvente, de plástico, el calor y la presión, el dispositivo se puede sellar con un enlace de alta calidad, que se caracteriza por tener una alta cobertura de enlace, resistencia de la unión, la claridad óptica, durabilidad en el tiempo, y baja deformación o daño a microfeature geometría. Se describe el procedimiento para los dispositivos de unión hechas de dos termoplásticos populares, poli (metil-metacrilato) (PMMA), y polímeros de ciclo-olefina (COP), así como una variedad de métodos para caracterizar la calidad de las uniones resultantes, y estrategias a troubleshoot bonos de baja calidad. Estos métodos se pueden utilizar para el desarrollo de nuevos protocolos de unión con disolvente para otros sistemas de plástico en disolventes.

Un esquema del procedimiento general unión con disolvente se muestra en la Figura 1. La forma más fácil de evaluar la calidad de la unión es inspeccionar visualmente la cobertura de bonos, ya que la escasa cobertura de enlace es fácilmente visible como regiones de plástico no unido, y es indicativo de unión débil. Tales regiones son típicamente cerca de los bordes libres (por ejemplo, la periferia de dispositivo, o cerca de los puertos abiertos o microc...

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Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

unión con disolvente es un método sencillo y versátil para la fabricación de dispositivos microfluídicos termoplásticos con enlaces de alta calidad. Se describe un protocolo para lograr enlaces fuertes, ópticamente transparentes en PMMA y dispositivos de microfluidos de la COP que preservan detalles microfeature, por una combinación juiciosa de presión, temperatura, un disolvente apropiado, y la geometría del dispositivo.

Unión con disolvente para la fabricación de PMMA y CP dispositivos de microfluidos

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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