Kakvu ulogu imaju grijane ploče u toplinskom spajanju polimernih mikrofluidnih čipova?

Mikrofluidni čip veličine-kartice-, dizajniran za izvođenje tisuću kemijskih reakcija na ubodu krvi, izgrađen je od dva sloja prozirnog polimera, s ugraviranim mikroskopskim kanalima tanjim od ljudske vlasi. Ova dva sloja moraju biti trajno spojena u jedno tijelo koje-ne propušta. Proces je delikatan toplinski ples: površine se zagrijavaju samo do svoje temperature staklastog prijelaza-dovoljno mekane da se stope, ali nedovoljno vruće da teku i skupljaju zamršene značajke nanolitrske-veličine. Zagrijane ploče koje izvode ovo spajanje su nježna, vruća glačala koja brtve minijaturne prolaze tekućine u laboratoriju-na--čipu.

Izazov povezivanja u proizvodnji polimernih mikrofluidnih čipova

Mikrofluidni čipovi (laboratorij-na--čip uređajima) proizvedeni su od polimera kao što su polimetil metakrilat (PMMA), polikarbonat (PC), ciklički olefin kopolimer (COC) ili polidimetilsiloksan (PDMS). Proces proizvodnje uključuje:

Uzorak mikrokanala: Mikroskopski kanali (širine 10–200 µm, dubine 5–50 µm) stvaraju se na jednom ili oba sloja polimera upotrebom injekcijskog prešanja, vrućeg utiskivanja ili laserske ablacije.

Poravnanje: Dva sloja s uzorkom (ili sloj s uzorkom i ravni pokrovni sloj) precizno su poravnati tako da kanali tvore kontinuirane fluidne mreže.

Lijepljenje: Poravnani slojevi trajno su spojeni u jedan,-nepropusni uređaj bez začepljenja ili izobličenja osjetljivih kanala.

Spajanje je najkritičniji i najizazovniji korak. Ljepila se općenito izbjegavaju jer se mogu uvući u kanale, promijeniti kemijski sastav površine ili isprati kontaminante u biološke uzorke. Vezanje otapala može nabubriti polimer i iskriviti dimenzije kanala. Toplinsko spajanje (također nazvano spajanje toplinskom fuzijom) preferirana je metoda za mnoge polimerne mikrofluidne uređaje jer proizvodi čistu, optički prozirnu i kemijski -otpornu brtvu koristeći samo toplinu i pritisak.

Međutim, toplinsko spajanje polimernih mikrofluidnih čipova ima uzak procesni prozor. Temperatura mora biti dovoljno visoka da pospješuje međudifuziju polimernih lanaca preko sučelja, stvarajući jaku vezu, ali dovoljno niska da spriječi viskozno strujanje koje bi zatvorilo kanale. Temperatura ploče mora biti ujednačena do djelića stupnja po cijeloj površini čipa (često 25–100 cm²). Primijenjeni tlak mora biti ujednačen i nizak kako bi se izbjeglo gnječenje kanala.

Kako grijane ploče omogućuju precizno toplinsko lijepljenje

Theheated platen polimer microfluidic chip bondingproces se provodi u preciznoj termičkoj preši. Poravnani polimerni slojevi postavljaju se između dvije visoko polirane, paralelne, grijane ploče. Ploče se spajaju pod kontroliranom silom, a temperatura se podiže na zadanu točku povezivanja.

Kontrola temperature: stakleni prijelazni prozor

Svaki polimer ima temperaturu staklenog prijelaza (Tg) - točku u kojoj prelazi iz staklastog, krutog stanja u gumenasto, omekšano stanje. Toplinsko spajanje izvodi se na temperaturi tipično 5-20 stupnjeva iznad Tg, ali znatno ispod točke taljenja (za polukristalne polimere) ili temperature razgradnje. Za uobičajene mikrofluidne polimere:

Prozor za lijepljenje je uzak. Ako je temperatura preniska, polimerni lanci međusobno ne difundiraju dovoljno, što dovodi do slabog povezivanja i curenja. Ako je temperatura previsoka, polimer pretjerano omekša, a primijenjeni pritisak uzrokuje spuštanje ili urušavanje stijenki kanala, trajno blokirajući uređaj. Grijane ploče moraju održavati zadanu vrijednost s točnošću od ±0,5 stupnjeva ili boljom po cijeloj površini ploče.

Ujednačenost temperature: Sprječavanje kolapsa lokalnog kanala

Ne-ujednačena temperatura ploče primarni je uzrok nedostataka pri lijepljenju. Vruća točka čak 2-3 stupnja iznad zadane vrijednosti može uzrokovati lokalizirani kolaps kanala, dok hladna točka iste veličine stvara slabu vezu koja će curiti tijekom rada.

Visoko-kvalitetne grijane ploče za mikrofluidno spajanje postižu ujednačenost temperature±0,3 stupnjaili bolje preko radnog područja. To se postiže kroz:

Više{0}}zonsko grijanje: Ploča je podijeljena na neovisno kontrolirane zone (npr. rešetka 3×3), svaka sa svojim grijačem uloška i termoelementom.

Materijali visoke-toplinske-vodljivosti: Aluminijske ili bakrene ploče nude izvrsno širenje topline, ali njihov visoki koeficijent toplinskog širenja (CTE) može uzrokovati promjene ravnosti s temperaturom. Za kritične aplikacije,legure niske{0}}ekspanzije(npr. Invar® s CTE < 1,5 ppm/stupanj) ilikeramika(npr. aluminijev nitrid ili macor). Ovi materijali zadržavaju svoju ravnost i paralelnost u cijelom temperaturnom rasponu.

Aktivna kompenzacija rubova: Rubovi ploče gube toplinu brže od sredine. Rubni grijači ili neovisno kontrolirane rubne zone kompenziraju ovaj gubitak.

Ploča je nježan, savršeno topao i izuzetno ravan par ruku, koji brtvi mikroskopske vene laboratorija-na--čipu bez drobljenja ijedne, krhke kapilare.

Kontrola pritiska: nježna, ravnomjerna i paralelna

Pritisak koji vrše ploče mora biti:

Niska: Tipično 0,1–1,0 MPa (15–150 psi), ovisno o polimeru. Viši pritisci nisu potrebni za toplinsko spajanje i povećavaju rizik od kolapsa kanala.

Uniforma: Ploče moraju biti paralelne unutar nekoliko mikrometara. Svaki nagib koncentrira pritisak na jedan rub čipa, uzrokujući kolaps tog područja dok suprotni rub ostaje nepovezan.

Kontrolirano tijekom hlađenja: Tlak se održava dok se ploče hlade, držeći strugotinu ravno i sprječavajući savijanje zbog diferencijalne toplinske kontrakcije.

Preša je obično opremljena preciznim pretvaračem sile i paralelnim mehanizmima za podešavanje (npr. sferni ležajevi ili klinasti sustavi). Same ploče su brušene i preklopljene do ravnosti manje od ili jednake 2 µm preko radnog područja.

Završna obrada površine i sloj za odvajanje

Površine ploče u kontaktu s polimerom su polirane do zrcalne završnice (Ra manje od ili jednako 0,1 µm) kako bi se izbjeglo prenošenje hrapavosti površine na čip. Sloj za odvajanje je bitan kako bi se spriječilo prijanjanje omekšalog polimera na metalne ploče. Uobičajena rješenja uključuju:

Ploče presvučene PTFE-om: Tanak, izdržljiv PTFE ili PFA premaz nanosi se na površine ploče. PTFE-ovo ne{1}}neprianjajuće svojstvo omogućuje jednostavno uklanjanje spojenog čipa nakon hlađenja.

Pustite filmove: Jednokratni fluoropolimerni film (npr. FEP ili PTFE ploča) postavlja se između svake ploče i polimernog čipa. Film se mijenja nakon svakog ciklusa lijepljenja, čime se osigurava netaknuta površina-bez onečišćenja.

Za ultra-čiste primjene (npr. medicinska dijagnostika), poželjne su ploče presvučene PTFE-jer uklanjaju film za oslobađanje potrošnog materijala i povezano stvaranje čestica.

Ciklus toplinskog lijepljenja: korak po korak

Cjelokupni ciklus lijepljenja pažljivo se kontrolira kako bi se postigao visok-prinos,-bez nedostataka.

Korak 1: Punjenje i vakuum

Poravnani slojevi polimera postavljaju se između ploča. Ploče se zatvaraju na lagani kontaktni pritisak (tek toliko da drže slojeve na mjestu). Komora koja okružuje ploče (ili cijelo kućište preše) ispražnjena je do vakuuma od obično 50–100 Pa (0,5–1,0 mbar). Vakuum uklanja zrak iz mikrokanala i sa sučelja između dva sloja.

Napomena o postupku: Vakuumsko okruženje za sprječavanje zarobljenih mjehurića zraka

Zrak zarobljen u mikrokanalima tijekom spajanja širi se kada se zagrije i može ostati kao mjehurić (blokirajući protok tekućine) ili pobjeći izazivajući puknuće u omekšanom polimeru. Oba su ishoda neprihvatljiva. Stoga se toplinsko spajanje mikrofluidnih čipova uvijek izvodi pod vakuumom. Vakuum također uklanja hlapljive ostatke s površine polimera, poboljšavajući čvrstoću veze. Vakuum se održava tijekom svih faza zagrijavanja, namakanja i hlađenja.

Korak 2: Rampa grijanja

Ploče se zagrijavaju kontroliranom brzinom (obično 10-30 stupnjeva u minuti) do temperature lijepljenja. Brzina povećanja je odabrana kako bi se omogućilo polimeru da postigne toplinsku ravnotežu bez toplinskog udara. Regulatori temperature održavaju ujednačenost u svim zonama.

Korak 3: Bonding Soak

Kada se postigne temperatura lijepljenja, tlak se povećava do konačnog tlaka lijepljenja (0,1–1,0 MPa). Temperatura se održava konstantnom tijekom razdoblja namakanja od 1 do 10 minuta, dopuštajući međudifuziju polimernog lanca preko sučelja. Vrijeme namakanja je minimalizirano kako bi se izbjeglo prekomjerno puzanje stijenki kanala.

Korak 4: Hlađenje pod pritiskom

Nakon namakanja, ploče se hlade (obično cirkulirajućom vodom ili komprimiranim zrakom kroz unutarnje kanale za hlađenje) dok se održava puni vezni tlak. Brzina hlađenja je kontrolirana (obično 10-20 stupnjeva u minuti) kako bi se spriječio toplinski stres i savijanje. Kada temperatura padne ispod Tg polimera (obično 50-70 stupnjeva), tlak se otpušta, vakuum se ispušta, a spojeni čip se uklanja. Čip je sada jedan, monolitni uređaj s potpuno zatvorenim kanalima na mikro razini.

Tehnička točnost: Odabir materijala za ploče

Zahtjevni zahtjevi ujednačenosti temperature i ravnosti uvjetuju izbor materijala ploča. Standardne ploče od alatnog čelika ili aluminija podliježu značajnom toplinskom širenju (CTE od 12–23 ppm/stupanj). Ploča od 100 mm zagrijana od 20 stupnjeva do 150 stupnjeva širi se za 0,15–0,35 mm, što se može nadoknaditi dizajnom. Međutim, još je problematičnija promjena ravnosti: diferencijalna ekspanzija između zagrijane strane i hladnije stražnje strane može uzrokovati savijanje ploče (bimetalni učinak).

Za mikrofluidno spajanje ploče se često izrađuju od:

Invar 36(željezo-legura nikla, CTE ≈ 1,2 ppm/stupanj): Održava gotovo-konstantne dimenzije na temperaturi. Koristi se za visoko{4}}precizno, umjereno{5}}temperaturno lijepljenje (do 200 stupnjeva). Visoki trošak materijala.

Super Invar(željezo-nikal-kobalt, CTE ≈ 0,5 ppm/ stupanj ): Čak niža ekspanzija, ali skuplja i teža za obradu.

Keramika (aluminij, aluminij nitrid, Macor): Nizak CTE (4–8 ppm/ stupanj ), visoka tvrdoća, izvrsna toplinska vodljivost (za aluminijev nitrid). Macor je staklo-keramika koja se može obraditi. Keramika je krta i zahtijeva pažljivo rukovanje.

Čelik niske{0}}ekspanzije (npr. alatni čelik H13): Za manje zahtjeve preciznosti, debela čelična ploča s aktivnim više{0}}zonskim upravljanjem može postići prihvatljivu ujednačenost.

Za većinu proizvodnih mikrofluidnih lijepljenja, Invar ili aluminij nitrid keramičke ploče s PTFE premazom su preferirani izbori.

Zaključak: Brtvljenje mikroskopskih tekućih autocesta

Grijana ploča je precizan, nježan termalni alat koji spaja zamršeni, mikroskopski svijet mikrofluidnog čipa, proces koji zahtijeva vrhunsku ujednačenost temperature i kontrolu tlaka. Zagrijavanjem polimernih slojeva do točne točke neposredno iznad njihove temperature staklastog prijelaza-obično 50-150 stupnjeva s jednolikošću od ±0,3 stupnja-ploče omekšavaju površine dovoljno za međudifuziju polimernog lanca uz primjenu nježnog, jednolikog pritiska koji izbjegava kolaps nanolitarskih-kanala. Vakuumsko okruženje sprječava zarobljene mjehuriće zraka, dok materijali niske-ekspanzije (invar ili keramika) i PTFE premazi za oslobađanje osiguravaju ravnost i-neprianjanje. Rezultat je savršeno zatvoren, optički jasan, potpuno funkcionalan laboratorij-na--čipu.

Budućnost medicinske dijagnostike zapečaćena je savršeno ravnom, toplom pločom. U svakoj točki--testiranja koji provodi uzorak krvi kroz mikroskopski labirint kanala, veza koja drži taj labirint zajedno iskovana je zagrijanom pločom-tihi, precizni i nježni par termalnih ruku.