Summary

Растворитель Связующие для изготовления ПММА и КС микрожидком устройств

Published: January 17, 2017
doi:

Summary

Растворитель соединения представляет собой простой и универсальный способ изготовления термопластичных микрожидкостных устройств с высоким качеством связи. Мы опишем протокол для достижения сильных, оптически четкие связи в ПММА и КС микрожидкостных устройств, которые сохраняют детали microfeature, с помощью продуманного сочетания давления, температуры, подходящего растворителя и геометрии устройства.

Abstract

Термопластичные микрожидкостных устройства предлагают много преимуществ по сравнению, изготовленные из силиконовых эластомеров, но процедуры скрепления должны быть разработаны для каждого термопласта интерес. Растворитель соединения представляет собой простой и универсальный метод, который может быть использован для изготовления устройств из различных пластиков. Соответствующий растворитель добавляют между двумя слоями устройства, подлежащего соединению, и тепло, и давление, применяются к устройству для облегчения сцепления. С помощью соответствующей комбинации растворителя, пластика, тепла и давления, устройство может быть запечатан с высоким качеством связи, характеризуются как имеющие высокий уровень охвата облигаций, прочность связи, оптическую прозрачность, прочность с течением времени, и низкую деформацию или повреждение microfeature геометрия. Мы опишем процедуру скрепления устройств, изготовленных из двух популярных термопластов, поли (метил-метакрилата) (PMMA) и цикло-олефиновых полимеров (КС), а также различные методы, чтобы охарактеризовать качество полученных облигаций и стратегий Труbleshoot низкого качества связи. Эти методы могут быть использованы для разработки новых растворителей протоколы Адгезионные покрытия для других систем пластиком растворителей.

Introduction

Микрофлюидикс возникла в течение последних двадцати лет , как технология хорошо подходит для изучения химии и физики на микроуровне 1, и с растущим обещанием внести существенный вклад в исследования биологии 2 4. Большинство устройств микрофлюидальных исторически были сделаны из поли (диметилсилоксана) (PDMS), силиконового эластомера , который прост в использовании, недорогие, и предлагает возможность репликации высокого качества 5. Тем не менее, PDMS хорошо документированы недостатки и несовместим с изготовлением больших объемов обрабатывает 6,7, и как таковой, наблюдается растущая тенденция к фабрикации микрожидкостных устройств из термопластичных материалов, из – за их потенциала для массового производства и , следовательно , коммерциализации.

Одним из главных препятствий для более широкого внедрения пластиковых микротехнологий было достижение легко, высокое качество склеивания пластиковых устройств. Современные стратегии используют тHermal, клей, и методы растворителей для склеивания, но многие страдают от серьезных проблем. Термоскрепление увеличивает аутофлуоресценция 8 и часто деформируется Microchannel геометрий 9 11, в то время как клеевые методы требуют трафареты, тщательного выравнивания, и в конечном итоге оставить толщину клея подвергается микроканала 10. Растворитель склеивание привлекателен благодаря своей простоте, перестройки частоты и низкой стоимостью 10,12 14. В частности, его перестройки частоты позволяет оптимизировать для различных пластмасс, который может дать последовательное, высокое качество склеивания , что сводит к минимуму деформацию microfeatures 14.

Во время приклеивания растворителя, воздействием растворителей увеличивает подвижность полимерных цепей вблизи поверхности пластика, что дает возможность взаимной диффузии цепей через границу раздела приклеивания. Это приводит к запутанности через механическое сцепление диффундирующего цепей, и приводит к арhysical облигаций 10. Термоскрепление работает аналогичным образом, но зависит от повышенной температуры в покое, чтобы увеличить подвижность цепи. Таким образом, тепловые методы требуют температуры около или выше температуры стеклования полимера, в то время как использование растворителей может значительно снизить температуру, необходимую для склеивания, и тем самым уменьшить нежелательную деформацию.

Мы предлагаем специальный протокол для связывания как ПММА и КС устройств. Тем не менее, этот протокол и метод описывает простой, общий подход к растворителя склеивания термопластичных микрожидкостных устройств, которые могут быть приспособлены для других пластиковых материалов, растворителей и имеющегося оборудования. Описаны многочисленные методы оценки качества облигаций (например, покрытие облигаций, прочность связи, прочность связи, а также деформация microfeature геометрии), а также обеспечить подходы по устранению неполадок для решения этих общих проблем.

Protocol

Обратите внимание, что все шаги, описанные ниже, были разработаны и выполнены в среде без чистых помещений. Растворитель шаги склеивание, безусловно, может быть выполнена в чистой комнате, если таковая имеется, но это не является обязательным. 1. Подготовка слоев устройств…

Representative Results

Схема общего растворителя процедуры связывания показан на рисунке 1. Самый простой способ для оценки качества облигаций является визуальный осмотр покрытия облигаций, так как недостаточный охват связь хорошо видна как области несвязанной пластика, а также ?…

Discussion

Технико-экономическое обоснование возможных стратегий связывания зависит от имеющегося оборудования. В то время как конфорки являются довольно распространенным явлением, и свободные веса можно приобрести недорого, стратегии высокого давления потребуется применение нагретого прес?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы признаем финансовую поддержку со стороны естественных наук и инженерного исследовательского совета Канады (NSERC, # 436117-2013), Научно-исследовательского онкологического общества (CRS, # 20172), миеломы Канады и Гранд вызовы Канады.

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

  1. 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).
  2. Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a. Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
  3. 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).
  4. Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Play Video

Cite This Article
Wan, A. M. D., Moore, T. A., Young, E. W. K. Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (119), e55175, doi:10.3791/55175 (2017).

View Video