Bonding solvente per la fabbricazione di PMMA e COP dispositivi microfluidici
Summary
Solvent bonding is a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. We describe a protocol to achieve strong, optically clear bonds in PMMA and COP microfluidic devices that preserve microfeature details, by a judicious combination of pressure, temperature, an appropriate solvent, and device geometry.
Abstract
dispositivi microfluidici termoplastici offrono molti vantaggi rispetto a quelli a base di elastomeri di silicone, ma le procedure di incollaggio devono essere sviluppate per ogni termoplastico di interesse. bonding solvente è un metodo semplice e versatile che può essere utilizzato per fabbricare dispositivi da una varietà di plastiche. Viene aggiunto un solvente appropriato tra due strati di dispositivo da incollare, e il calore e pressione vengono applicati al dispositivo per facilitare l'incollaggio. Utilizzando una combinazione appropriata di solvente, di plastica, il calore e la pressione, il dispositivo può essere sigillato con un legame di alta qualità, caratterizzato come avere una copertura ad alta legame, forza di adesione, la chiarezza ottica, durata nel tempo, e bassa deformazione o danni microfeature geometria. Descriviamo la procedura per dispositivi incollaggio realizzati due termoplastici popolari, poli (metil-metacrilato) (PMMA), e polimeri ciclo-olefina (COP), così come una varietà di metodi per caratterizzare la qualità delle obbligazioni risultanti, e strategie a troubleshoot obbligazioni di bassa qualità. Questi metodi possono essere usati per sviluppare nuovi protocolli bonding solvente per altri sistemi plastica-solvente.
Introduction
Microfluidica è emerso nel corso degli ultimi venti anni come la tecnologia adatta per lo studio chimica e fisica alla microscala 1, e con crescente promessa di contribuire in modo significativo alla ricerca di biologia 2-4. La maggior parte dei dispositivi microfluidici stata storicamente fatta da poli (dimetilsilossano) (PDMS), un elastomero siliconico che è facile da usare, poco costoso, e offre alta qualità funzionalità di replica 5. Tuttavia, PDMS ha carenze ben documentato ed è incompatibile con elevati volumi di fabbricazione processi 6,7, e come tale, c'è stata una crescente tendenza fabbricazione di dispositivi microfluidici da materiali termoplastici, a causa del loro potenziale per la produzione di massa e quindi commercializzazione.
Uno dei principali ostacoli alla più ampia adozione di microfabbricazione di plastica sta realizzando facile, incollaggio di alta qualità dei dispositivi di plastica. strategie attuali impiegano tHermal, adesivi, e le tecniche di incollaggio di solventi, ma molti soffrono di sfide significative. Incollaggio termico aumenta autofluorescenza 8 e spesso deforma geometrie microcanali 9 – 11, mentre le tecniche adesive richiedono stencil, allineamento preciso, ed infine lasciato lo spessore dell'adesivo esposto al microcanali 10. Bonding solvente è attraente grazie alla sua semplicità, tunability, e basso costo 10,12 – 14. In particolare, la sua tunability consente ottimizzazione per una varietà di materie plastiche, che possono produrre coerente, bonding alta qualità che riduce al minimo la deformazione di microfeatures 14.
Durante bonding solvente, esposizione solvente aumenta la mobilità delle catene polimeriche vicino alla superficie della plastica, che permette inter-diffusione catene attraverso l'interfaccia bonding. Questo fa sì che entanglement tramite interblocco meccanico delle catene diffusore e si traduce in aplegame hysical 10. incollaggio termico funziona in modo simile, ma si basa sulla temperatura elevata solo aumentare la mobilità della catena. Così, metodi termici richiedono temperature prossime o superiori alla transizione vetrosa del polimero, mentre l'uso di solventi può ridurre significativamente la temperatura necessaria per l'incollaggio, e quindi ridurre la deformazione indesiderata.
Forniamo un protocollo specifico per l'incollaggio sia PMMA e dispositivi COP. Tuttavia, questo protocollo e metodo descrive un approccio semplice, generico per incollaggio con solvente di dispositivi microfluidici termoplastici che può essere adattato per altre materie plastiche, solventi e apparecchiature disponibili. Descriviamo numerosi metodi per la valutazione della qualità delle obbligazioni (ad esempio, la copertura legame, forza di adesione, durata legame, e la deformazione di geometrie microfeature), e di fornire approcci di risoluzione dei problemi per affrontare queste sfide comuni.
Protocol
Representative Results
Discussion
The feasibility of potential bonding strategies depends on available equipment. While hotplates are relatively common and free weights can be purchased inexpensively, high pressure strategies will require the use of a heated press. For example, our optimal PMMA bonding recipe requires high pressure to bond with ethanol (see Table 1), and the required pressure is not attainable for typical device sizes using free weights. Thus, if only a hotplate and weights are available, PMMA can instead be bonded with …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We acknowledge financial support from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC, #436117-2013), the Cancer Research Society (CRS, #20172), Myeloma Canada, and 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. |
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