Ce rol joacă plăcile încălzite în legarea termică a chipurilor microfluidice polimerice?

Realizat din două straturi de polimer translucid sculptat cu canale microscopice mai subțiri decât un păr uman, cipul microfluidic are dimensiunea unui card de credit și efectuează o mie de reacții chimice pe o înțepătură de sânge. Cele două straturi trebuie să fie bine legate între ele ca un singur corp fără scurgeri-. Este un dans termic delicat. Suprafețele sunt încălzite la temperatura lor de tranziție sticloasă, suficient de moi pentru a fuziona, dar nu suficient de fierbinte pentru a curge și a prăbuși caracteristicile rafinate ale scării de nanolitri. Aceste fiare de călcat ușoare și fierbinți sigilează căile microscopice ale lichidelor din laborator-pe-un-cip, atașând elastomerul de substrat cu plăci încălzite.

Provocarea legaturilor în fabricarea de cipuri microfluidice polimerice
Cipurile microfluidice (dispozitive de laborator-pe-a-cip) sunt fabricate din polimeri precum polimetilmetacrilat (PMMA), policarbonat (PC), copolimer ciclic de olefină (COC) sau polidimetilsiloxan (PDMS). Procesul de fabricație include:

Modelarea microcanalelor: Canalele microscopice sunt fabricate pe unul sau ambele straturi de polimer prin turnare prin injecție, gofrare la căldură sau ablație cu laser. Lățimile canalelor pot varia de la 10 la 200 µm și adâncimi de la 5 la 50 µm.

Aliniere: Cele două straturi modelate (sau un strat modelat și un strat de acoperire plat) sunt exact aliniate, astfel încât canalele să formeze rețele fluidice continue.

Lipire: straturile potrivite sunt lipite ferm împreună pentru a forma un singur dispozitiv etanș-pentru scurgeri, fără a bloca sau distorsiona canalele minuscule.

Legătura este cea mai importantă și mai dificilă fază. Adezivii sunt în mod normal evitați, deoarece tind să se scurgă în canale, să modifice chimia suprafeței sau să scurgă poluanți în probele biologice. Legarea cu solvent ar putea extinde polimerul și poate distorsiona dimensiunile canalului. Legătura termică (cunoscută și sub denumirea de legare prin fuziune termică) este metoda preferată pentru multe dispozitive microfluidice polimerice, deoarece generează o etanșare curată, transparentă optic și rezistentă-chimice, doar cu căldură și presiune.

Dar fereastra de procesare este strânsă pentru lipirea termică a dispozitivelor microfluidice polimerice. Temperatura ar trebui să fie suficient de suficient pentru a facilita interdifuzia lanțurilor polimerice pe interfață, formând astfel o conexiune puternică, dar suficient de scăzută pentru a evita curgerea vâscoasă care ar etanșa canalele. Temperatura platanului trebuie să fie uniformă pe toată suprafața cipului (de obicei 25-100 cm2) într-o fracțiune de grad. Presiunea trebuie să fie uniformă și scăzută, astfel încât canalele să nu fie zdrobite.

Lipire termică de precizie cu plăci încălzite
Cipul microfluidic polimeric este lipit folosind o presă termică precisă cu o tehnică cu plată încălzită. Straturile de polimer aliniate sunt cuprinse între două plăci încălzite paralele, extrem de lustruite. Platanele sunt presate împreună sub forță controlată și temperatura este ridicată la valoarea de referință de lipire.

Controlul temperaturii: fereastra tranziției sticlei
Fiecare polimer are o temperatură de tranziție sticloasă (Tg) - temperatura la care trece de la o stare rigidă, sticloasă la o stare cauciucoasă, înmuiată. Pentru lipirea termică, temperatura este de obicei cu 5-20 de grade peste Tg, dar considerabil sub punctul de topire (pentru polimerii semi-cristalini) sau temperatura de descompunere. Pentru polimerii microfluidici convenționali:

Temperatura de tranziție a sticlei polimerului (Tg) Temperaturi tipice de legare
PMMA (acrilic) 105 grade 110–120 grade
Policarbonat (PC) 145 grade 150–160 grade
COC (copolimer de olefină ciclică) 80–140 grade (dependent de grad) Tg + 10–15 grade
PS (polistiren) 100 grade 105-115 grade
Fereastra pentru lipire este strânsă. Dacă temperatura este prea scăzută, lanțurile polimerice nu se interdifuzează suficient, ceea ce duce la o legătură slabă și la scurgeri. Dacă temperatura este prea mare, polimerul se va înmuia prea mult, iar presiunea aplicată va face ca pereții canalului să se încline sau să se prăbușească, blocând permanent dispozitivul. Platanele încălzite trebuie să mențină valoarea de referință cu o precizie de ±0,5 grade sau mai bună pe toată suprafața plăcii.

Uniformitatea temperaturii: blocarea colapsului canalului local
Sursa majoră a problemelor de lipire este temperatura ne-uniformă a plăcii. O regiune fierbinte chiar și cu 2-3 grade C deasupra punctului de referință poate provoca colapsul localizat al canalului. Un punct rece de aceeași magnitudine asigură o legătură slabă care se va scurge în timpul funcționării.

Platanele încălzite de calitate superioară pentru lipirea microfluidică au o omogenitate a temperaturii de ± 0,3 grade sau mai mare în regiunea de lucru. Acest lucru se realizează prin:

Încălzire cu mai multe-zone: placa este împărțită în zone reglate independent (de exemplu, o grilă 3x3) cu un cartuș de încălzire și un termocuplu separat pentru fiecare zonă.

Materiale cu conductivitate-termică- ridicată: plăcile din aluminiu sau cupru oferă o răspândire mare a căldurii, dar coeficientul lor ridicat de dilatare termică (CTE) poate induce modificări de planeitate cu temperatura. Pentru aplicații critice, sunt folosite aliaje cu expansiune redusă (de exemplu, Invar® cu CTE < 1,5 ppm/grad) sau ceramică (de exemplu, nitrură de aluminiu sau macor). Planeitatea și paralelismul acestor materiale se păstrează pe întregul interval de temperatură.

Compensare activă a marginilor: marginile platanului se răcesc mai repede decât centrul. Pierderea este compensată de încălzitoare de margine sau zone de margine izolate.

Platoul este o pereche de mâini, delicate, perfect calde și extraordinar de plat, care închid venele minuscule ale laboratorului-pe-un cip- fără a zdrobi un singur capilar fragil.

Controlul presiunii: blând, uniform și paralel
Presiunea exercitată de plăci trebuie să fie

Scăzut: de obicei 0,1–1,0 MPa (15–150 psi), în funcție de polimer. Legătura termică nu necesită presiuni mai mari și crește posibilitatea de prăbușire a canalelor.

Uniformă: Platanele trebuie să fie paralele până la câțiva microni. Dacă o înclinați chiar și puțin, concentrați presiunea pe o parte a cipului, astfel încât acea zonă să se prăbușească și marginea opusă să nu fie lipită.

Controlat în timpul răcirii Presiunea este menținută pe măsură ce plăcile sunt răcite, menținând așchiul la nivel și prevenind deformarea din cauza contracției termice diferențiale.

Presa este prevăzută în mod normal cu un traductor de forță de precizie și dispozitive de reglare paralelă (cum ar fi rulmenți sferici sau sisteme de pană). Platanele în sine sunt șlefuite și lipite la o planeitate mai mică sau egală cu 2 µm peste zona de lucru.

Strat de finisare și eliberare a suprafeței
Suprafețele plăcii în contact cu polimerul lustruit până la finisarea în oglindă (Ra<= 0.1 µm) to avoid transfer of surface roughness to chip. A release layer is necessary to prevent the softened polymer from sticking to the metal platens. Typical solutions include:

Platine acoperite cu PTFE: Suprafețele plăcilor sunt acoperite cu un strat subțire durabil de PTFE sau PFA. PTFE nu este-aderent, prin urmare, cipul atașat poate fi îndepărtat cu ușurință după răcire.

Filme de eliberare: Un film de fluoropolimer de unică folosință (de exemplu, FEP sau PTFE) este plasat între fiecare platan și cipul polimeric. Suprafața este întotdeauna curată și lipsită de contaminare, deoarece filmul este schimbat după fiecare ciclu de lipire.

Pentru aplicații ultra-curate, de exemplu diagnostice medicale, plăcile acoperite cu PTFE- sunt preferate, deoarece nu necesită folie de eliberare consumabilă și producția de particule asociată cu aceasta.

Ciclul de legare termică: un proces-cu-pas cu pas
Întregul ciclu de lipire este gestionat cu precizie pentru a obține o lipire fără defecte de randament ridicat.

1. Aspirare și încărcare
Straturile de polimer aliniate sunt cuprinse între plăci. Platanele sunt aduse împreună la o presiune ușoară de contact (doar suficientă pentru a menține straturile pe loc). Camera din jurul plăcilor (sau întreaga incintă a presei) este evacuată la un vid de obicei de 50–100 Pa (0,5–1,0 mbar). Aspiratorul atrage aerul din microcanale și din interfața dintre straturi.

Notă de proces: Aspirați mediul pentru a evita bulele de aer prinse
În timpul lipirii, aerul prins în microcanale se extinde la încălzire și poate fi fie reținut sub formă de bule (limitând fluxul de fluid), fie să scape prin crearea unei rupturi în polimerul înmuiat. Nici un rezultat satisfăcător. Prin urmare, cipurile microfluidice sunt întotdeauna legate termic în condiții de vid. Hooverul elimină, de asemenea, reziduurile volatile de pe suprafața polimerului, crescând rezistența aderării. Perioadele de încălzire, înmuiere și răcire sunt toate efectuate sub hoover.

Pasul 2: Rata de încălzire
Platanele sunt încălzite la temperatura de lipire la o viteză de rampă reglată (de obicei 10-30 grade/min). Rata de rampă este selectată pentru a permite polimerului să atingă echilibrul termic fără șoc termic. Regulatoarele de temperatură se asigură că toate zonele sunt uniforme.

Pasul 3: înmuierea legăturii
După atingerea temperaturii de lipire, presiunea este ridicată la presiunea finală de lipire (0,1 – 1,0 MPa). Pe durata a 1-10 minute, temperatura rămâne constantă și are loc interdifuzia lanțului polimeric de-a lungul interfeței. Timpul minim de înmuiere este utilizat pentru a preveni curgerea excesivă a pereților canalului.

Pasul 4: Răciți sub presiune
După înmuiere, plăcile sunt răcite (de obicei prin trecerea apei sau a aerului comprimat prin canalele interne de răcire) sub presiune de lipire maximă. Viteza de răcire este ajustată (de obicei 10-20 grade/minut) pentru a reduce stresul termic și deformarea. Dacă temperatura este sub Tg a polimerului (de obicei 50-70 de grade), presiunea este eliberată, vidul este evacuat și așchiul lipit este îndepărtat. „Acum avem un cip monolitic cu canale la microscale care sunt complet sigilate.”

Precizie tehnică: alegerea materialului potrivit pentru platine
Alegerea materialelor plăcilor este determinată de cerințele stricte de planeitate și omogenitate a temperaturii. Platanele standard din oțel pentru scule sau aluminiu au o cantitate mare de dilatare termică (CTE 12–23 ppm/grad). O plată de 100 mm încălzită de la 20 la 150 de grade se extinde cu 0,15-0,35 mm. Acest lucru poate fi ajustat prin proiectare. Schimbarea planeității, totuși, este mai supărătoare: expansiunea diferențială dintre fața fierbinte și fața din spate mai rece poate provoca înclinarea platanului (efect bimetalic).

Platanele de legare microfluidică utilizate în mod obișnuit sunt:

Invar 36 (aliaj de fier-nichel, CTE ~ 1,2 ppm/grad): Forma este aproape stabilă în funcție de temperatură. Potrivit pentru lipire de înaltă precizie, temperatură medie (până la 200 de grade). Costul materialului este ridicat.

Super Invar (fier-nichel-cobalt, CTE=0.5 ppm/grad): expansiune mai mică, dar mai costisitoare și dificil de procesat.

Ceramica (alumină, nitrură de aluminiu, Macor): CTE scăzut (4 până la 8 ppm/C), duritate mare, conductivitate termică excelentă (pentru nitrură de aluminiu). Macor este o ceramică din sticlă prelucrabilă. Ceramica este delicată și trebuie manipulată cu grijă.

Oțel cu -expansiune redusă (de exemplu, oțel pentru scule H13): pentru o omogenitate mai puțin pretențioasă, poate fi potrivită o placă groasă de oțel cu control activ în mai multe-zone.

Pentru majoritatea legăturilor microfluidice de producție, plăcile ceramice Invar sau cu nitrură de aluminiu cu acoperire PTFE sunt alternative preferate.

Concluzie: blocarea autostrăzilor lichide microscopice
Platoul încălzit este instrumentul termic de precizie, delicat, care leagă lumea complicată și minusculă a unui cip microfluidic. Necesită cea mai mare consistență a temperaturii și controlul presiunii. Platanele sunt încălzite până la un punct precis chiar deasupra temperaturii de tranziție sticloasă a straturilor de polimer (de obicei 50-150 de grade cu uniformitate de ± 0,3 grade) la care suprafețele se înmoaie suficient pentru a permite interdifuzia lanțului polimeric în timp ce se aplică o presiune ușoară uniformă pentru a evita colapsul canalelor de scară nanolitrică. Mediul de vid elimină bulele de aer prinse. Materialele cu expansiune redusă-(Invar sau ceramică) și acoperirile de degajare PTFE asigură planeitate și funcționare anti-aderente. Acest lucru are ca rezultat un laborator complet funcțional, închis ermetic și clar optic-pe-un cip.

O placă plată, încălzită, determină viitorul diagnosticului medical. Fiecare test de punct-de-îngrijire care a împins o probă de sânge printr-un labirint microscopic de canale a fost ținut împreună de un platou încălzit - o pereche de mâini termice silentioase, precise și pline de compasiune.