الرابطة المذيبات لتصنيع PMMA وCOP أجهزة ميكروفلويديك
Summary
الرابطة المذيبات هي طريقة بسيطة وتنوعا في تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك بالحرارة مع السندات ذات جودة عالية. وصفنا بروتوكول لتحقيق والسندات واضحة بصريا قوية في PMMA والأجهزة ميكروفلويديك الأطراف التي تحفظ تفاصيل microfeature، من خلال مزيج حكيم من الضغط ودرجة الحرارة، مذيب مناسب، والهندسة الجهاز.
Abstract
أجهزة ميكروفلويديك بالحرارة توفر العديد من المزايا أكثر من تلك المصنوعة من اللدائن سيليكون، ولكن يجب وضع إجراءات الربط لكل بالحرارة من الفائدة. الرابطة المذيبات هو طريقة بسيطة ومتعددة الاستخدامات التي يمكن استخدامها لصنع أجهزة من مجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية. يضاف مذيب مناسب بين طبقتين الجهاز ليكون الرهينة، ويتم تطبيق الحرارة والضغط على الجهاز لتسهيل الترابط. باستخدام توليفة مناسبة من المذيبات، والبلاستيك، والحرارة، والضغط، والجهاز يمكن أن تكون مختومة مع السندات ذات جودة عالية، وتتميز بأنها تغطية عالية السندات، وقوة السندات والوضوح البصري، ومتانة مع مرور الوقت، وانخفاض تشوه أو تلف microfeature الهندسة. نحن تصف الإجراء لأجهزة الربط المصنوعة من اثنين من اللدائن الحرارية الشعبية، وبولي (ميثيل ميتاكريليت) (PMMA)، وسيكلو الأوليفين البوليمر (COP)، فضلا عن مجموعة متنوعة من الطرق لوصف نوعية الروابط التي تظهر، واستراتيجيات لتروbleshoot السندات ذات جودة منخفضة. هذه الطرق يمكن استخدامها لتطوير بروتوكولات الربط المذيبات جديدة لأنظمة أخرى البلاستيك المذيبات.
Introduction
برزت على microfluidics على مدى السنوات العشرين الماضية كتقنية مناسبة تماما لدراسة الكيمياء والفيزياء في الميكروسكيل 1، ومع الوعد المتزايد للمساهمة بشكل كبير في أبحاث البيولوجيا 2-4. تاريخيا جعل معظم أجهزة ميكروفلويديك من بولي (dimethylsiloxane) (PDMS)، والمطاط الصناعي السيليكون التي هي سهلة الاستخدام وغير مكلفة، ويوفر جودة عالية تكرار ميزة 5. ومع ذلك، فقد PDMS أوجه القصور موثقة جيدا ويتنافى مع ارتفاع حجم تلفيق عمليات 6،7، وعلى هذا النحو، كان هناك اتجاه متزايد نحو تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك من المواد بالحرارة، بسبب قدرتها على التصنيع الشامل، وبالتالي تسويقها.
واحدة من العوائق الرئيسية لنطاق أوسع من التصنيع الدقيق البلاستيك وقد تم تحقيق سهلا، والترابط عالية الجودة من الأجهزة البلاستيكية. الاستراتيجيات الحالية توظف رhermal، لاصق، وتقنيات الربط المذيبات، ولكن الكثير يعاني من تحديات كبيرة. ارتباط حراري يزيد من تألق ذاتي 8، وغالبا ما يشوه هندستها متناهية 9-11، في حين تتطلب تقنيات لاصقة الإستنسل، والمحاذاة دقيقة، وترك في نهاية المطاف سمك لاصقة تتعرض لمتناهية 10. الرابطة المذيبات جذابة نظرا لبساطته، tunability، وانخفاض تكلفة 10،12 – 14. على وجه الخصوص، tunability لها تمكن الأمثل لمجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية، والتي يمكن أن تسفر عن ثابت، والترابط عالية الجودة التي تقلل من تشوه microfeatures 14.
خلال الترابط المذيبات، والتعرض المذيبات يزيد من التنقل من سلاسل البوليمر بالقرب من سطح البلاستيك، والتي تمكن المشترك بين انتشار سلاسل عبر واجهة الربط. هذا يسبب تشابك عبر المتشابكة الميكانيكية للسلاسل نشرها، ويؤدي إلى ا ف بالسندات hysical 10. ارتباط حراري يعمل بطريقة مماثلة، ولكن يعتمد على درجة حرارة مرتفعة وحده لزيادة التنقل السلسلة. وهكذا، وتتطلب الطرق الحرارية درجات حرارة قريبة أو أعلى من التحول الزجاجي من البوليمر، في حين أن استخدام المذيبات يمكن أن تقلل بشكل كبير من درجة الحرارة اللازمة للترابط، وبالتالي تقلل من تشوه غير المرغوب فيها.
ونحن نقدم بروتوكول معين لتربط كلا PMMA والأجهزة مؤتمر الأطراف. ومع ذلك، يصف هذا البروتوكول وسيلة لذلك، نهج عام بسيط للارتباط المذيبات الأجهزة ميكروفلويديك الحرارية التي يمكن أن تكون مصممة لمواد أخرى من البلاستيك، والمذيبات، والمعدات المتوفرة. وصفنا طرق عديدة لتقييم نوعية السندات (على سبيل المثال، وتغطية السندات، وقوة السندات والمتانة السندات، وتشوه هندستها microfeature)، وتقديم نهج استكشاف الأخطاء وإصلاحها لمعالجة هذه التحديات المشتركة.
Protocol
Representative Results
Discussion
جدوى الاستراتيجيات الترابط المحتملة يعتمد على المعدات المتاحة. في حين سخانات شائعة نسبيا والأوزان الحرة يمكن شراؤها بتكلفة زهيدة، واستراتيجيات ارتفاع ضغط تتطلب استخدام الصحافة ساخنة. على سبيل المثال، لدينا أفضل PMMA الترابط وصفة تتطلب ارتفاع ضغط على السندات مع الإي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونحن نعترف بدعم مالي من العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC، # 436117-2013)، وجمعية أبحاث السرطان (CRS، # 20172)، المايلوما كندا، والتحديات الكبرى كندا.
Materials
| 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. |
References
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4, 261-286 (2002).
- Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a. Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
- Paguirigan, A. L., Beebe, D. J. Microfluidics meet cell biology: Bridging the gap by validation and application of microscale techniques for cell biological assays. BioEssays. 30 (9), 811-821 (2008).
- Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224-1237 (2012).
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Young, E. W. K., Berthier, E., Beebe, D. J. Assessment of enhanced autofluorescence and impact on cell microscopy for microfabricated thermoplastic devices. Analytical Chemistry. 85 (1), 44-49 (2013).
- Wallow, T. I., Morales, A. M., et al. Low-distortion, high-strength bonding of thermoplastic microfluidic devices employing case-II diffusion-mediated permeant activation. Lab on a Chip. 7 (12), 1825-1831 (2007).
- Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
- Young, E. W. K., Berthier, E., et al. Rapid prototyping of arrayed microfluidic systems in polystyrene for cell-based assays. Analytical Chemistry. 83 (4), 1408-1417 (2011).
- Truckenmüller, R., Henzi, P., Herrmann, D., Saile, V., Schomburg, W. K. Bonding of polymer microstructures by UV irradiation and subsequent welding at low temperatures. Microsystem Technologies. 10 (5), 372-374 (2004).
- Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment. Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).
- Wan, A. M. D., Sadri, A., Young, E. W. K. Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves. Lab on a Chip. 15 (18), 3785-3792 (2015).
- Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices. Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).
- Cameron, N. S., Roberge, H., Veres, T., Jakeway, S. C., John Crabtree, H. High fidelity, high yield production of microfluidic devices by hot embossing lithography: rheology and stiction. Lab on a Chip. 6 (7), 936 (2006).
- Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
- Konstantinou, D., Shirazi, A., Sadri, A., Young, E. W. K. Combined hot embossing and milling for medium volume production of thermoplastic microfluidic devices. Sensors and Actuators B: Chemical. 234, 209-221 (2016).
- Maszara, W. P., Goetz, G., Caviglia, A., McKitterick, J. B. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator. Journal of Applied Physics. 64 (10), 4943 (1988).
- Bhattacharyya, A., Klapperich, C. M. Mechanical and chemical analysis of plasma and ultraviolet-ozone surface treatments for thermal bonding of polymeric microfluidic devices. Lab on a Chip. 7 (7), 876-882 (2007).
