מליטה מרככת עבור ייצור של PMMA ו COP מכשירי microfluidic
Summary
מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית עבור בודת מכשירי microfluidic תרמופלסטיים עם אג"ח באיכות גבוהה. אנו מתארים פרוטוקול להשיג חזק, אג"ח ברור אופטי ב PMMA והתקני microfluidic COP המשמרים פרטי microfeature, על ידי שילוב מושכל של לחץ, טמפרטורה, ממס מתאים, וגיאומטריה מכשירה.
Abstract
מכשירי microfluidic תרמופלסטיים מציעים יתרונות רבים על פני אלה עשויים אלסטומרים סיליקון, אך הליכים מליטים יש לפתח עבור כל תרמופלסטיים עניין. מליטה מרככת היא שיטה פשוטה תכליתית שיכול לשמש כדי לפברק מכשירים ממגוון פלסטיק. ממס מתאים מתווסף בין שתי שכבות המכשיר להיות מלוכד, ואת החום ולחץ מוחלים על המכשיר כדי להקל על המליטה. באמצעות שילוב מתאים של ממס, פלסטיק, חום, לחץ, המכשיר יכול להיות אטום עם קשר באיכות גבוהה, מאופיין כבעל כיסוי אג"ח גבוה, חוזק קשר, בהירות אופטית, עמידות לאורך זמן, ועיוות נמוכה או ניזק microfeature גֵאוֹמֶטרִיָה. אנו מתארים את הליך התקנים מליטים עשויים משני תרמופלסטיים פופולריים, פולי (מתיל-methacrylate) (PMMA), ופולימר אולפינים-סקל (COP), כמו גם מגוון רחב של שיטות כדי לאפיין את איכות האג"ח וכתוצאה מכך, ואסטרטגיות כדי Troubleshoot אג"ח באיכות נמוכה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לפתח פרוטוקולים מליטים ממס חדשים למערכות פלסטיק ממסים אחרות.
Introduction
מיקרופלואידיקה התפתחה בעשרים השנים האחרונות כטכנולוגיה גם מתאים ללמוד כימיה ופיזיקה בבית microscale 1, ועם הבטחה הגוברת לתרום משמעותית למחקר בביולוגיה 2 – 4. רוב תקני microfluidic היסטורי נעשה מתוך פולי (dimethylsiloxane) (PDMS), אלסטומר סיליקון כי הוא קל לשימוש, זול, ומציע שכפול תכונה באיכות גבוהה 5. עם זאת, PDMS יש מתועד היטב ליקויים אינה עולה בקנה אחד עם ייצור בנפח גבוה תהליכים 6,7, וככזה, חלה מגמה הולכת וגוברת של בודה מכשירים microfluidic מחומרים תרמופלסטיים, בשל הפוטנציאל שלהם לייצור המוני ובכך מסחור.
אחד המחסומים העיקריים לאימוץ של microfabrication פלסטיק רחב יותר כבר השיג מליט איכות קלה, גבוהה של מכשירי פלסטיק. אסטרטגיות נוכחיות להעסיק thermal, דבק, וטכניקות מליטה ממסות, אך רב סובלים אתגרים משמעותיים. מליטה תרמית מגדיל autofluorescence 8 ולעתים קרובות ומעווה גיאומטריות microchannel 9 – 11, בעוד טכניקות דבקות דורשות שבלונות, יישור זהיר, ובסופו של דבר לעזוב את העובי של הדבקה החשופה אל microchannel 10. מליטה מרכך אטרקטיבית בשל הפשטות שלה, tunability, ועלות נמוכה 10,12 – 14. בפרט, tunability שלה מאפשר אופטימיזציה עבור מגוון רחב של פלסטיק, אשר יכול להניב עקבי, מליט באיכות גבוהה ממזער עיוות של microfeatures 14.
במהלך מליטה ממסה, וחשיפה לחומריים מגבירה את הניידות של שרשרות פולימר קרוב לפני השטח של הפלסטיק, המאפשר דיפוזיה יתר של רשתות על פני הממשק המליט. זה גורם הסתבכות באמצעות שלובים מכאניים של השרשרות לשדר, ואת תוצאת ap10 האג"ח hysical. מליטת תרמי עובדת בצורה דומה, אך מסתמכת על טמפרטורה גבוהה לבד להגדיל ניידות שרשרת. לפיכך, שיטות תרמיות דורשות טמפרטורות ליד או מעל מעבר הזכוכית של הפולימר, ואילו השימוש בממסים יכול להפחית באופן משמעותי את הטמפרטורה דרושה מליט, ובכך להפחית עיוות בלתי רצויה.
אנו מספקים פרוטוקול ספציפי עבור מליטה היא PMMA והתקני COP. עם זאת, פרוטוקול זה ושיטה מתארים גישה פשוטה, גנרי מליט ממס של מכשירי microfluidic תרמופלסטיים כי ניתן להתאים חומרים פלסטיים אחרים, ממסים, וציוד זמין. אנו מתארים שיטות רבות להערכת האיכות של אג"ח (למשל, כיסוי אג"ח, חוזק קשר, עמידות אג"ח, דפורמציה של גיאומטריות microfeature), ולספק גישות לפתרון בעיות כדי לטפל באתגרים אלה נפוצים.
Protocol
Representative Results
Discussion
היתכנותו של אסטרטגיות מליטה הפוטנציאל תלוי הציוד זמין. בעוד כיריים הן תופעה שכיחות יחסית ומשקולת ניתן לרכוש בזול, אסטרטגיות בלחץ גבוה תחייבנה את השימוש של עיתונות מחוממת. לדוגמא, מתכון מליטת PMMA האופטימלי שלנו דורש בלחץ גבוה כדי להתחבר עם אתנול (ראה טבלה 1), ו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מכירים תמיכה כספית מן למדעי הטבע וההנדסה מועצת המחקר של קנדה (NSERC, # 436,117-2013), האגודה לחקר הסרטן (CRS, # 20,172), מיאלומה קנדה, וגראנד אתגרים קנדה.
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).
