Opløsningsmiddel Bonding til Fabrikation af PMMA og COP mikrofluidenheder

Summary

Opløsningsmiddel limning er en enkel og alsidig fremgangsmåde til fremstilling af termoplastiske mikrofluidenheder med høj kvalitet obligationer. Vi beskriver en protokol for at opnå stærke, optisk klare obligationer i PMMA og COP mikrofluidenheder som bevarer microfeature detaljer ved en velovervejet kombination af tryk, temperatur, et passende opløsningsmiddel, og enhedens geometri.

Abstract

Termoplastiske mikrofluidenheder tilbyder mange fordele i forhold til dem, der foretages af silikone elastomerer, men skal udvikles bonding procedurer for hver termoplast af interesse. Opløsningsmiddel limning er en enkel og alsidig metode, der kan anvendes til at fremstille enheder fra flere plastmaterialer. tilsættes et passende opløsningsmiddel mellem to enheder lag, der skal bindes, og varme og tryk påføres til anordningen for at lette binding. Ved anvendelse af en egnet kombination af opløsningsmiddel, plast, varme og tryk, kan indretningen være forseglet med en høj kvalitet binding, karakteriseret ved at have forøget vedhæftning dækning, bindingsstyrke, optisk klarhed, holdbarhed over tid, og lav deformation eller beskadigelse microfeature geometri. Vi beskriver proceduren for limning indretninger fremstillet af to populære termoplast, poly (methyl-methacrylat) (PMMA), og cyclo-olefinpolymer (COP), samt en række forskellige metoder til at karakterisere kvaliteten af ​​de resulterende bindinger, og strategier til troubleshoot obligationer lav kvalitet. Disse metoder kan anvendes til at udvikle nye opløsningsmiddelbinding protokoller for andre systemer plast-solvent.

Introduction

Microfluidics er opstået i løbet af de sidste tyve år som en teknologi velegnet til at studere kemi og fysik på mikroskala ^en, og med voksende lover at bidrage væsentligt til biologi forskning ^{2 – 4.} Størstedelen af mikrofluidenheder som historisk har været fremstillet af poly (dimethylsiloxan) (PDMS), en silikoneelastomer, der er let at bruge, billig og tilbyder høj kvalitet funktion replikation ^5. Men PDMS har veldokumenterede mangler og er uforenelig med høj volumen fabrikation processer ^6,7, og som sådan, har der været en stigende tendens i retning af opdigte mikrofluidenheder fra termoplastiske materialer, på grund af deres potentiale for masse produktion og dermed kommercialisering.

En af de største hindringer for bredere anvendelse af plast mikrofabrikation er blevet opfyldt, let, høj kvalitet limning af plast enheder. Aktuelle strategier ansætte tHermal, lim og opløsningsmidler limning teknikker, men mange lider af betydelige udfordringer. Termisk binding forøger autofluorescens ⁸ og ofte deformerer mikrokanalplader geometrier ^{9 – 11} mens adhæsive teknikker kræver stencils, omhyggelig justering, og i sidste ende forlade tykkelsen af klæbemidlet udsat for mikrokanal ^10. Opløsningsmiddel limning er attraktivt på grund af sin enkelhed, justerbarhed, og lave omkostninger ^{10,12 – 14.} Især dens justerbarhed muliggør optimering for flere plastmaterialer, som kan give ensartet, høj kvalitet bonding, der minimerer deformation af microfeatures ^14.

Under opløsningsmiddel limning, eksponering opløsningsmiddel forøger mobiliteten af ​​polymerkæder nær overfladen af ​​plasten, som muliggør indbyrdes diffusion af kæder på tværs af bonding interface. Dette forårsager sammenfiltring via mekanisk aflåsning af de spredende kæder, og resulterer i aphysical obligation ^10. Termisk binding virker på en lignende måde, men er afhængig af forhøjet temperatur alene at øge kæde mobilitet. Således termiske metoder kræver temperaturer nær eller over glasovergangstemperaturen af ​​polymeren, hvorimod anvendelsen af ​​opløsningsmidler kan reducere temperaturen nødvendig for binding og således reducere uønskede deformation.

Vi leverer en særlig protokol til limning både PMMA og COP-enheder. Men denne protokol og metode beskriver, en enkel, generisk tilgang til opløsningsmiddel limning af termoplastiske mikrofluidenheder, der kan skræddersyes til andre plastmaterialer, opløsningsmidler og tilgængeligt udstyr. Vi beskriver mange metoder til at vurdere kvaliteten af obligationer (f.eks bond dækning, vedhæftningsstyrke, obligationer holdbarhed, og deformation af microfeature geometrier), og giver fejlfinding tilgange til at løse disse fælles udfordringer.

Protocol

Bemærk, at alle de nedenfor beskrevne trin er blevet udviklet og udført i et ikke-renrumsmiljø. kan helt sikkert udføres Trinnene bonding opløsningsmiddel i et renrum, hvis de er tilgængelige, men det er ikke påkrævet. 1. Fremstilling af termoplastiske mikrofluidapparatet Lag Design og fabrikere mikrofluidanordning lag fra den termoplastiske valg, under anvendelse af en passende fremstillingsmetode (f.eks mikroformaling 15, prægning 16 …

Representative Results

En skematisk af den generelle fremgangsmåde bonding opløsningsmiddel er vist i figur 1. Den nemmeste måde at vurdere obligation kvalitet er visuelt inspicere bond dækning, da dårlig obligation dækning er let synlig som regioner af ikke-bundet plast, og er tegn på svag binding. Sådanne regioner er typisk nær frie kanter (f.eks periferi enhed, eller i nærheden af åbne porte eller mikrokanaler), og kan også ofte vises omkring eventuelle partikler af sna…

Discussion

Muligheden for potentielle limning strategier afhænger af tilgængeligt udstyr. Mens kogeplader er forholdsvis almindelige og frie vægte kan købes billigt, vil strategier højt tryk kræver brug af en opvarmet presse. For eksempel vores optimale PMMA bonding opskrift kræver højt tryk til at obligation med ethanol (se tabel 1), og det ønskede tryk er ikke opnåeligt for typiske enhed størrelser ved hjælp af frie vægte. Hvis således kun en kogeplade og vægte er tilgængelige, PMMA kan i stedet …

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.