Lösningsmedelsbindning för framställning av PMMA och COP Mikrofluidikanordningar
Summary
Lösningsmedelsbindning är en enkel och mångsidig metod för att tillverka termoplastiska mikrofluidanordningar med hög kvalitet bindningar. Vi beskriver ett protokoll för att uppnå en stark, optiskt klara obligationer i PMMA och COP mikroflödessystem enheter som bevarar mikrokännetecken detaljer, av en lämplig kombination av tryck, temperatur, ett lämpligt lösningsmedel, och enheten geometri.
Abstract
Termoplastiska mikroflödessystem enheter erbjuder många fördelar jämfört med de som gjorts från silikonelastomerer, men bindningsförfaranden måste utvecklas för varje termoplast av intresse. Lösningsmedelsbindning är en enkel och mångsidig metod som kan användas för att tillverka enheter från en mängd olika plaster. Ett lämpligt lösningsmedel tillsätts mellan två enhetsskikt som skall bindas, och värme och tryck appliceras på anordningen för att underlätta bindning. Genom att använda en lämplig kombination av lösningsmedel, plast, värme och tryck, kan anordningen tätas med en hög kvalitet obligation, kännetecknas av hög bindning täckning, bindningsstyrka, optisk klarhet, hållbarhet över tid, och låg deformation eller skador på mikrokännetecken geometri. Vi beskriver det förfarande för limning av anordningar tillverkade av två populära termoplaster, poly (metyl-metakrylat) (PMMA), och cyklo-olefin polymer (COP), såväl som en mängd olika metoder för att karakterisera kvaliteten hos de resulterande bindningar, och strategier till troubleshoot låg kvalitet bindningar. Dessa metoder kan användas för att utveckla nya lösningsmedelsbindning protokoll för andra plast-lösningsmedelssystem.
Introduction
Mikrofluidik har vuxit fram under de senaste tjugo åren som en teknik väl lämpad för att studera kemi och fysik vid mikro en, och med växande lovar att bidra väsentligt till biologisk forskning 2-4. Majoriteten av mikrofluidanordningar har historiskt varit tillverkad av poly (dimetylsiloxan) (PDMS), en silikonelastomer som är lätt att använda, billiga, och erbjuder hög kvalitet funktionen replikering 5. Men PDMS har väldokumenterade brister och är oförenlig med hög volym tillverkningsprocesser 6,7, och som sådan, har det funnits en växande trend mot att tillverka mikroflödessystem enheter från termoplastiska material, på grund av deras potential för masstillverkning och därmed kommersialisering.
En av de största hindren för mer omfattande användning av plastmikro har uppnå lätt, hög kvalitet limning av plastanordningar. Nuvarande strategier använder tHermal, lim och lösningsmedel bindningstekniker, men många lider av betydande utmaningar. Termisk bindning ökar autofluorescens 8 och ofta deformerar mikrokanalgeometrier 9-11, medan adhesiva tekniker kräver stenciler, noggrann justering, och slutligen lämna tjockleken av klistret exponeras för mikrokanalen 10. Lösningsmedelsbindning är attraktiv på grund av sin enkelhet, avstämbarhet och låg kostnad 10,12 – 14. I synnerhet, gör det möjligt för avstämbarhet optimering för en mängd olika plaster, som kan ge jämn och hög kvalitet bindning som minimerar deformering av microfeatures 14.
Under lösningsmedelsbindning, ökar exponeringen lösningsmedel rörligheten av polymerkedjor nära ytan av plasten, vilket möjliggör inter-diffusion av kedjor tvärs över bindningsgränsytan. Detta orsakar hoptrassling via mekanisk sammanlåsning av de diffunderande kedjorna, och resulterar i aphysical bindning 10. Värmebindning fungerar på ett liknande sätt, utan förlitar sig på förhöjd temperatur enbart för att öka kedjan rörlighet. Således, termiska metoder kräver temperaturer nära eller över glas av polymeren, medan användningen av lösningsmedel kan avsevärt minska temperaturen som behövs för limning, och därmed minska oönskad deformation.
Vi tillhandahåller ett särskilt protokoll för att binda både PMMA och COP-enheter. Men detta protokoll och metod beskriver en enkel, allmän metod för lösningsmedelsbindning av termoplastiska mikroflödessystem enheter som kan skräddarsys för andra plastmaterial, lösningsmedel och tillgänglig utrustning. Vi beskriver många metoder för att bedöma kvaliteten på obligationer (t.ex. bond täckning, bindningsstyrka, obligations hållbarhet, och deformering av mikrokännetecken geometrier), och ger felsöknings tillvägagångssätt för att ta itu med dessa gemensamma utmaningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Möjligheten att potentiella bindnings strategier beror på tillgänglig utrustning. Medan kokplattor är relativt vanliga och fria vikter kan köpas billigt, kommer högtrycks strategier kräver användning av en upphettad press. Till exempel, kräver vår optimala receptet PMMA bindning högt tryck för att binda med etanol (se tabell 1), och det erforderliga trycket är inte uppnås för vanliga storlekar enhet med hjälp av fria vikter. Om sålunda endast en värmeplatta och vikter är tillgängliga…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner ekonomiskt stöd från naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada (NSERC, # 436.117-2013), Cancer Research Society (CRS, # 20172), Myelom Canada och Grand Challenges Kanada.
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).
