Solvent Bonding for fabrikasjon av PMMA og COP microfluidic enheter

Summary

Løsningsmidlet binding er en enkel og allsidig fremgangsmåte for fremstilling av termoplastiske microfluidic enheter med høy kvalitet bindinger. Vi beskriver en protokoll for å oppnå sterke, optisk klare bindinger i PMMA og COP microfluidic enheter som bevarer microfeature detaljer, av en skjønnsom kombinasjon av trykk, temperatur, et passende løsningsmiddel, og anordning geometri.

Abstract

Termoplast microfluidic enheter tilbyr mange fordeler i forhold til de som er laget av silikon elastomerer, men bonding prosedyrer må utvikles for hver termo av interesse. Løsningsmidlet binding er en enkel og allsidig fremgangsmåte som kan brukes til å fremstille enheter fra en rekke plast. Et passende løsningsmiddel tilsettes mellom to innretnings lag som skal limes, og varme og trykk tilføres til enheten for å lette bindingen. Ved å bruke en passende kombinasjon av løsemidler, plast, varme og trykk, kan enheten være forseglet med en høy kvalitet binding, karakterisert som å ha høy bindingen dekning, bindestyrke, optisk klarhet, holdbarhet over tid, og lav deformasjon eller skade på microfeature geometri. Vi beskriver fremgangsmåten til liming av anordninger fremstilt av to populære termoplast, poly (metyl-metakrylat) (PMMA), og cyclo-olefin polymer (COP), så vel som en rekke metoder for å karakterisere kvaliteten av de resulterende bindinger, og strategier Troubleshoot lav kvalitet obligasjoner. Disse metodene kan brukes til å utvikle nye løsemiddelbinde protokoller for andre plast-løsningsmiddel-systemer.

Introduction

MicroFluidics har dukket opp i løpet av de siste tjue årene som teknisk godt egnet for å studere kjemi og fysikk på mikro ^1, og med økende løfte om å bidra vesentlig til biologi forskning ^2-4. De fleste av microfluidic enheter har historisk vært fremstilt av poly (dimetylsiloksan) (PDMS), en silikon-elastomer som er enkel å bruke, billig, og har høy kvalitet trekk replikering ^5. Men PDMS har veldokumentert mangler og er uforenlig med høyt volum fabrikasjon prosesser ^6,7, og som sådan, har det vært en økende trend mot fabrikere microfluidic enheter fra termoplastmaterialer, på grunn av sitt potensial for masseproduksjon og dermed kommersialisering.

En av de store hindringene for bredere adopsjon av plast microfabrication har vært å oppnå enkel, høy kvalitet liming av plast enheter. Aktuelle strategier ansette thermal, lim og løsemidler bonding teknikker, men mange lider av betydelige utfordringer. Termisk binding øker autofluorescens ⁸ og ofte deformeres microchannel geometrier ^{9 – 11,} mens limet teknikker krever stensiler, forsiktig justering, og til slutt forlater tykkelsen av klebemidlet utsettes for microchannel ^10. Løsningsmidlet binding er attraktivt på grunn av sin enkelhet, tunability, og lav pris ^{10,12 – 14.} Spesielt muliggjør dens tunability optimalisering for en rekke av plast, som kan gi konsekvent høy kvalitet binding som minimaliserer deformasjon av microfeatures ^14.

I løpet av oppløsningsmiddel binding, øker oppløsningsmiddel eksponering mobiliteten av polymerkjedene i nærheten av overflaten av plast, som gjør det mulig for inter-diffusjon av kjedene på tvers av binding grensesnittet. Dette fører til forviklinger via mekanisk forrigling av Diffuseranordningen kjeder, og resulterer i aphysical bond ^10. Termisk binding fungerer på en lignende måte, men er avhengig av forhøyet temperatur alene for å øke kjedemobilitet. Således termiske metoder krever temperaturer nær eller over glassomvandlingstemperaturen til polymeren, mens anvendelse av løsningsmidler kan i betydelig grad redusere den temperatur som er nødvendig for binding, og derved redusere uønsket deformasjon.

Vi tilbyr en spesifikk protokoll for liming både PMMA og COP-enheter. Men beskriver denne protokollen og metoden en enkel, generell tilnærming for løsemiddel liming av termo microfluidic enheter som kan skreddersys for andre plastmaterialer, løsemidler, og tilgjengelig utstyr. Vi beskriver en rekke metoder for å vurdere kvaliteten av obligasjoner (for eksempel bond dekning, bindestyrke, bond holdbarhet, og deformasjon av microfeature geometrier), og gi feilsøkings tilnærminger for å løse disse felles utfordringer.

Protocol

Merk at alle trinnene som er beskrevet nedenfor har blitt utviklet og gjennomført i et ikke-renromsmiljø. De løsningsmiddel-bindetrinn kan sikkert bli utført i et renrom, hvis tilgjengelig, men dette er ikke nødvendig. 1. Utarbeidelse av Termo microfluidic Enhets Layers Design og dikte microfluidic enhets lag fra termo av valget, med en passende fremstillingsmetode (f.eks micromilling 15, preging 16-18, sprøytestøping). <…

Representative Results

En skjematisk av den generelle oppløsningsmidlet bindings prosedyre er vist i figur 1. Den enkleste måten å vurdere obligasjons kvalitet er å visuelt inspisere bindingen dekning, ettersom dårlig bindingen dekning er lett synlig som regioner av ubundet plast, og er et tegn på svak binding. Slike områder er vanligvis nær frie kanter (f.eks periferien av enheten, eller i nærheten av åpne porter eller mikro), og kan også ofte vises rundt eventuelle partik…

Discussion

Gjennomførbarheten av potensielle bindings strategier avhenger av tilgjengelig utstyr. Mens kokeplatene er relativt vanlige og vekter kan kjøpes billig, vil høytrykks strategier som krever bruk av en oppvarmet presse. For eksempel krever vår optimal PMMA bonding oppskrift høytrykks å bånd med etanol (se tabell 1), og det nødvendige trykket er ikke oppnåelig for vanlige enhets størrelser ved hjelp av frie vekter. Hvis således bare en varmeplate og vekter er tilgjengelige, PMMA kan i stedet væ…

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.