PMMA의 제조 및 COP 미세 유체 장치에 대한 솔벤트 본딩
Summary
솔벤트 본딩 고품질 결합을 갖는 열가소성 마이크로 유체 장치를 제조하기위한 간단하고 다양한 방법이다. 우리는 압력, 온도, 적당한 용매, 및 소자 기하의 현명한 조합에 의해 마이크로 상세 보존 PMMA 강한 광학적으로 투명한 결합 및 COP 미세 유동 장치를 달성하기위한 프로토콜을 기술한다.
Abstract
열가소성 마이크로 유체 소자는 실리콘 탄성 중합체로 만들어진 것들에 비해 많은 장점을 제공하지만, 본딩 절차는 관심있는 각각의 열가소성 위해 개발되어야한다. 솔벤트 본딩 플라스틱의 다양한 디바이스를 제조하는데 사용될 수있는 간단하고 다양한 방법이다. 적당한 용매는 두 개의 장치 층 사이에 추가 결합되도록하고, 열 및 압력은 본딩을 용이하게 소자에 적용된다. 용매, 플라스틱, 열 및 압력의 적절한 조합을 사용함으로써, 장치는 고품질의 접합에 의해 밀봉 될 수 있고, 마이크로 높은 결합에 따르면, 접착 강도, 광학 투명도, 시간이 지남에 따라 내구성 및 낮은 변형이나 손상을 갖는 특징 기하학. 우리는 본딩 결과 결합의 품질을 특성화하는 인기있는 두 열가소성 수지, 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA), 및 사이클로 올레핀 폴리머 (COP)뿐만 아니라, 다양한 방법으로 만든 장치 및 전략에 대한 절차를 설명 덮지에품질이 낮은 채권를 해결하십시오. 이러한 방법은 다른 수지 – 용매 시스템을위한 새로운 용매 본딩 프로토콜을 개발하는데 사용될 수있다.
Introduction
4 – 마이크로 유체 잘 마이크로 1 화학 및 물리학을 공부 적합, 크게 생물학 연구 2에 기여할 수있는 성장 약속 기술로 지난 20 년 동안 등장했다. 미세 유체 장치의 대부분은 역사적 (PDMS), 폴리 (디메틸 실록산)으로부터, 사용하기 쉽고 저렴한 실리콘 엘라스토머를 제조하고, 고품질의 복제 기능 (5)를 구비하고있다. 그러나, PDMS는 단점을 잘 문서화 및 6,7를 처리 대량 제조와 호환이며, 같은 때문에 대량 생산함으로써 상용화를위한 그들의 잠재력, 열가소성 물질로부터 미세 유체 장치를 제조 향해 성장 추세가 있었다있다.
플라스틱 미세 가공 넓은 채택 주요 장애물 중 하나는 플라스틱 장치로 쉽게 고품질의 결합을 달성하고있다. 현재 전략은 t 채용열 전, 접착제 및 용매를 본딩 기술하지만, 많은 상당한 어려움 겪는다. 열 접합은 형광도 8 증가 종종 미세 형상 9 변형 – 접착 기술 스텐실 조심 정렬이 필요하지만, 11, 궁극적으로 마이크로 채널 (10)에 노출 된 접착제의 두께를 떠난다. 14 – 용매 결합으로 인해 단순, 조정 기능, 저렴한 비용 (10, 12)에 매력적이다. 특히, 그 조정 기능은 마이크로 피처 (14)의 변형을 최소화 일관된 고품질의 접착을 수득 할 수있는 다양한 플라스틱에 대한 최적화를 가능하게한다.
솔벤트 본딩 중에 용매 노출은 접합 계면에 걸쳐 쇄의 상호 확산을 가능하게하는 플라스틱의 표면 근처의 중합체 사슬의 유동성을 증가시킨다. 이것은 확산 사슬의 얽힘 기계적 연동을 통해 발생하며 AP 초래A. 물리적 결합 10. 열 결합은 유사한 방식으로 동작하지만, 연쇄 이동성을 증가 형 고온에 의존한다. 따라서, 열적 방법은 용매의 사용이 크게 본딩에 필요한 온도를 감소시키고, 따라서 불필요한 변형을 감소시킬 수있는 반면, 근처 또는 중합체의 유리 전이 온도 이상으로 필요로한다.
우리는 PMMA와 COP 장치 모두를 접합하기위한 특정 프로토콜을 제공한다. 그러나,이 프로토콜 및 방법은 다른 플라스틱 재료, 용제 및 사용 가능한 장비 맞출 수 열가소성 미세 유체 장치의 용매 결합에 대한 간단하고 일반적인 방법을 설명합니다. 우리는 채권의 품질을 평가하기위한 다양한 방법을 설명합니다 (예를 들어, 채권 범위, 결합 강도, 결합 내구성 및 마이크로 형상의 변형), 이러한 공통의 과제를 해결하는 문제 해결 방법을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
잠재적 인 결합 전략의 타당성을 사용할 장비에 따라 달라집니다. 핫 플레이트 비교적 공통이며 웨이트 저렴하게 구입할 수 있지만, 고압 전략 가열 프레스의 사용을 필요로한다. 예를 들어, 우리의 최적 PMMA 본딩 레시피 에탄올 (표 1 참조)와 결합하는 높은 압력을 필요로하고, 요구되는 압력은 웨이트를 사용하는 전형적인 장치 크기에 도달 할 수 없습니다. 전용 핫 플레이트와 무게?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 자연 과학 및 캐나다 (NSERC, # 436117-2013)의 공학 연구 협의회, 암 연구 학회 (CRS, # 20172), 골수종 캐나다, 그랜드 도전 캐나다에서 재정 지원을 인정합니다.
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
- 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).
- Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a. Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
- 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).
- Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tsao, C. W., DeVoe, D. L. Bonding of thermoplastic polymer microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 6 (1), 1-16 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
