Oplosmiddel Bonding voor de productie van PMMA en COP microfluïdische apparaten
Summary
Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige werkwijze voor het vervaardigen thermoplastische microfluïdische inrichtingen met hoogwaardige banden. We beschrijven een protocol sterke, optisch heldere bindingen in PMMA en COP microfluïdische inrichtingen die micro-gegevens bewaren, door een oordeelkundige combinatie van druk, temperatuur, een geschikt oplosmiddel en inrichting geometrie bereiken.
Abstract
Thermoplastische microfluïdische apparaten bieden veel voordelen ten opzichte van die gemaakt van siliconen elastomeren, maar bonding procedures moeten worden ontwikkeld voor elke thermoplastische van belang. Oplosmiddel bonding is een eenvoudige en veelzijdige methode die kan worden gebruikt om inrichtingen te vervaardigen uit verschillende kunststoffen. Een geschikt oplosmiddel is toegevoegd tussen twee lagen apparaat te lijmen en warmte en druk worden toegevoerd aan de inrichting voor de binding vergemakkelijken. Door een geschikte combinatie van oplosmiddelen, kunststof, warmte en druk, kan de inrichting worden afgedicht met een hoge kwaliteit binding, gekenmerkt door hoge bindingssterkte dekking, hechtsterkte, optische helderheid, duurzaamheid in de tijd, en lage vervorming of beschadiging van micro- geometrie. We beschrijven de procedure voor het binden apparaten gemaakt van twee populaire thermoplasten, poly (methyl methacrylaat) (PMMA), en cyclo-olefinepolymeer (COP), alsook een verscheidenheid aan werkwijzen om de kwaliteit van de resulterende banden karakteriseren en strategieën tot trouoplossen van problemen bij lage kwaliteit obligaties. Deze werkwijzen kunnen worden gebruikt om nieuwe verbinding met een oplosmiddel protocollen voor andere kunststoffolie oplosmiddel systemen.
Introduction
Microfluidics heeft zich in de afgelopen twintig jaar als een technologie zeer geschikt voor het bestuderen van scheikunde en natuurkunde aan de microschaal 1, en met het kweken van belofte om belangrijke bijdrage leveren aan biologisch onderzoek 2-4. De meeste microfluïdische inrichtingen oudsher gemaakt van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS), een siliconenelastomeer dat gemakkelijk te gebruiken, goedkoop en biedt een hoge kwaliteitskenmerk replicatie 5. Echter, PDMS is goed gedocumenteerde tekortkomingen en onverenigbaar met hoog volume fabricageprocessen 6,7, en als zodanig is er een toenemende trend vervaardigen microfluïdische inrichtingen van thermoplastische materialen, vanwege hun potentieel voor massafabricage en dus commercialisering geweest.
Een van de belangrijkste obstakels voor bredere toepassing van kunststof microfabrication is het bereiken van gemakkelijk, kwalitatief hoogwaardige verlijming van kunststof apparaten. De huidige strategieën hanteren tHermal, lijm en oplosmiddel verbindingstechnieken, maar veel last van belangrijke uitdagingen. Thermische binding verhoogt autofluorescentie 8 en vaak vervormt microkanaal geometrieën 9-11, terwijl kleefstof technieken vereisen stencils, zorgvuldige uitlijning en uiteindelijk laat de dikte van het kleefmiddel blootgesteld aan het microkanaal 10. Solvent bonding is aantrekkelijk door zijn eenvoud, tunability, en lage kosten 10,12 – 14. Met name zijn tunability kan worden geoptimaliseerd voor verschillende kunststoffen, die constante hoge kwaliteit binding die vervorming van microfeatures 14 minimaliseert kunnen opleveren.
Tijdens oplosmiddel bonding blootstelling oplosmiddel vergroot de mobiliteit van polymeerketens nabij het oppervlak van de kunststof, die inter-diffusie rijen in de bonding interface maakt. Dit zorgt ervoor dat verstrengeling via mechanische vergrendeling van de verstrooiende ketens, en resulteert in een aphysical bond 10. Thermische binding werkt op een vergelijkbare manier, maar vertrouwt op verhoogde temperatuur staan om ketenmobiliteit verhogen. Aldus thermische methoden vereisen temperaturen rond of boven de glasovergangstemperatuur van het polymeer, terwijl het gebruik van oplosmiddelen aanzienlijk de temperatuur die nodig is voor binding kunnen verlagen en zodoende verminderen ongewenste vervorming.
Wij bieden een specifiek protocol voor het verlijmen van zowel PMMA en COP-apparaten. Echter, dit protocol en werkwijze beschrijft een eenvoudige, algemene aanpak oplosmiddel binden van thermoplastische microfluïdische inrichtingen die kunnen worden aangepast voor andere kunststoffen, oplosmiddelen en beschikbare apparatuur. We beschrijven tal van methoden voor het beoordelen van de kwaliteit van de obligaties (bijv bond dekking, hechting, obligatie duurzaamheid en vervorming van micro-geometrieën), en zorgen voor het oplossen van problemen benaderingen van deze gemeenschappelijke uitdagingen aan te pakken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De haalbaarheid van potentiële bonding strategieën hangt af van de beschikbare apparatuur. Terwijl de pits komen relatief vaak voor en losse gewichten kan goedkoop worden gekocht, zal hoge druk strategieën voor het gebruik van een verwarmde pers nodig. Bijvoorbeeld, onze optimale PMMA bonding recept vereist een hoge druk om band met ethanol (zie tabel 1), en de vereiste druk is niet haalbaar voor typische apparaat maten met behulp van vrije gewichten. Zou alleen de een kookplaat en gewichten beschikb…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij erkennen de financiële steun van de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada (NSERC, # 436117-2013), de Cancer Research Society (CRS, # 20172), Myeloma Canada, en de Grand Challenges Canada.
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).
