Unión con disolvente para la fabricación de PMMA y CP dispositivos de microfluidos

Summary

unión con disolvente es un método sencillo y versátil para la fabricación de dispositivos microfluídicos termoplásticos con enlaces de alta calidad. Se describe un protocolo para lograr enlaces fuertes, ópticamente transparentes en PMMA y dispositivos de microfluidos de la COP que preservan detalles microfeature, por una combinación juiciosa de presión, temperatura, un disolvente apropiado, y la geometría del dispositivo.

Abstract

dispositivos de microfluidos termoplásticos ofrecen muchas ventajas sobre aquellos hechos de elastómeros de silicona, pero los procedimientos de unión deben ser desarrollados para cada termoplástica de interés. unión con disolvente es un método sencillo y versátil que puede utilizarse para fabricar dispositivos a partir de una variedad de plásticos. Se añade un disolvente apropiado entre dos capas de dispositivos que han de unirse, y el calor y la presión se aplica al dispositivo para facilitar la unión. Mediante el uso de una combinación apropiada de disolvente, de plástico, el calor y la presión, el dispositivo se puede sellar con un enlace de alta calidad, que se caracteriza por tener una alta cobertura de enlace, resistencia de la unión, la claridad óptica, durabilidad en el tiempo, y baja deformación o daño a microfeature geometría. Se describe el procedimiento para los dispositivos de unión hechas de dos termoplásticos populares, poli (metil-metacrilato) (PMMA), y polímeros de ciclo-olefina (COP), así como una variedad de métodos para caracterizar la calidad de las uniones resultantes, y estrategias a troubleshoot bonos de baja calidad. Estos métodos se pueden utilizar para el desarrollo de nuevos protocolos de unión con disolvente para otros sistemas de plástico en disolventes.

Introduction

Microfluídica ha surgido en los últimos veinte años como una tecnología muy adecuada para el estudio de la química y la física en la microescala ^1, y con el crecimiento de la promesa de contribuir significativamente a la investigación en biología ^{de 2 – 4.} La mayoría de los dispositivos de microfluidos históricamente se han hecho a partir de poli (dimetilsiloxano) (PDMS), un elastómero de silicona que es fácil de usar, de bajo costo, y ofrece la replicación característica de alta calidad ^5. Sin embargo, ha PDMS deficiencias bien documentado y es incompatible con la fabricación de alto volumen procesa ^6,7, y, como tal, ha habido una tendencia creciente hacia la fabricación de dispositivos de microfluidos a partir de materiales termoplásticos, debido a su potencial para la fabricación en masa y por lo tanto la comercialización.

Una de las principales barreras para la adopción más amplia de microfabricación de plástico ha sido el logro de fácil unión, la calidad alta de dispositivos de plástico. Las estrategias actuales emplean thermal, adhesivo, y las técnicas de unión por disolvente, pero muchos sufren de importantes desafíos. La unión térmica aumenta la autofluorescencia ⁸ y, a menudo deforma geometrías de microcanales ^9-11, mientras que las técnicas adhesivas requieren plantillas, alineación cuidadosa, y en última instancia dejar el espesor del adhesivo expuesto al microcanal ^10. Unión con disolvente es atractivo debido a su simplicidad, capacidad de ajuste, y el bajo costo ^{10,12 – 14.} En particular, su capacidad de ajuste permite la optimización para una variedad de plásticos, que puede producir la unión consistente, de alta calidad que minimiza la deformación de microfeatures ^14.

Durante unión con disolvente, la exposición a disolventes aumenta la movilidad de las cadenas de polímero cerca de la superficie del plástico, lo que permite inter-difusión de las cadenas a través de la interfaz de unión. Esto hace que el entrelazamiento a través de enclavamiento mecánico de las cadenas de difusión, y resulta en apvínculo ÍSICA ^10. La unión térmica funciona de una manera similar, pero se basa en la temperatura elevada solo para aumentar la movilidad de la cadena. Por lo tanto, los métodos térmicos requieren temperaturas cerca o por encima de la transición vítrea del polímero, mientras que el uso de disolventes puede reducir significativamente la temperatura necesaria para la unión, y por lo tanto reducir la deformación no deseada.

Proporcionamos un protocolo específico para la unión de ambas PMMA y dispositivos de la COP. Sin embargo, este protocolo y método describe un método sencillo y genérico para la unión con disolvente de dispositivos de microfluidos termoplásticos que se pueden adaptar para otros materiales plásticos, solventes, y los equipos disponibles. Se describen numerosos métodos para evaluar la calidad de los enlaces (por ejemplo, la cobertura de bonos, fuerza de adhesión, durabilidad de la unión, y la deformación de geometrías microfeature), y proporcionar enfoques de solución de problemas para hacer frente a estos desafíos comunes.

Protocol

Nótese que todos los pasos que se describen a continuación se han desarrollado y realizado en un entorno no-sala limpia. Los pasos unión con disolvente sin duda se pueden realizar en una sala limpia, si está disponible, pero esto no es necesario. 1. Preparación de termoplástico microfluidos de capas de Dispositivos Diseño y fabricar capas de dispositivos de microfluidos del termoplástico de elección, utilizando un método de fabricación adecuado (por ejemplo, mi…

Representative Results

Un esquema del procedimiento general unión con disolvente se muestra en la Figura 1. La forma más fácil de evaluar la calidad de la unión es inspeccionar visualmente la cobertura de bonos, ya que la escasa cobertura de enlace es fácilmente visible como regiones de plástico no unido, y es indicativo de unión débil. Tales regiones son típicamente cerca de los bordes libres (por ejemplo, la periferia de dispositivo, o cerca de los puertos abiertos o microc…

Discussion

La viabilidad de las estrategias potenciales de unión depende del equipo disponible. Mientras fogones son relativamente comunes y pesas se puede comprar barato, las estrategias de alta presión se requiere el uso de una prensa calentada. Por ejemplo, nuestra receta óptima unión PMMA requiere alta presión para unir con etanol (ver Tabla 1), y la presión requerida no es alcanzable para los tamaños de los dispositivos típicos utilizando pesas libres. Por lo tanto, si solamente una placa de cocción …

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.