Какую роль играют нагретые плиты в термическом соединении полимерных микрофлюидных чипов?

Изготовленный из двух слоев полупрозрачного полимера с микроскопическими каналами тоньше человеческого волоса, микрофлюидный чип размером с кредитную карту выполняет тысячу химических реакций на уколе крови. Два слоя должны быть надежно соединены друг с другом, образуя единый-корпус, защищенный от утечек. Это нежный тепловой танец. Поверхности нагреваются до температуры стеклования, становятся достаточно мягкими, чтобы плавиться, но недостаточно горячими, чтобы растекаться и разрушать изысканные элементы нанолитрового масштаба. Эти мягкие горячие утюги герметизируют микроскопические пути прохождения жидкости в лаборатории-на--чипе, прикрепляя эластомер к подложке с помощью нагретых валиков.

Проблема склеивания при производстве полимерных микрожидкостных чипов
Микрофлюидные чипы (лабораторные-на-a-чиповых устройствах) изготавливаются из таких полимеров, как полиметилметакрилат (ПММА), поликарбонат (ПК), сополимер циклического олефина (COC) или полидиметилсилоксан (ПДМС). Процесс изготовления включает в себя:

Формирование микроканалов: микроскопические каналы изготавливаются на одном или обоих слоях полимера путем литья под давлением, термотиснения или лазерной абляции. Ширина канала может варьироваться от 10 до 200 мкм, а глубина от 5 до 50 мкм.

Выравнивание: два слоя с рисунком (или слой с рисунком и плоский покровный слой) точно выровнены, так что каналы образуют непрерывные текучие сети.

Соединение. Соответствующие слои прочно скрепляются вместе, образуя единое герметичное-герметичное устройство, не перекрывая и не деформируя крошечные каналы.

Соединение — самый важный и самый трудный этап. Клеев обычно избегают, поскольку они имеют тенденцию просачиваться в каналы, изменять химический состав поверхности или выщелачивать загрязняющие вещества в биологические образцы. Связывание растворителем может расширить полимер и исказить размеры каналов. Термическое соединение (также известное как соединение термосплавлением) является предпочтительным методом для многих полимерных микрофлюидных устройств, поскольку оно обеспечивает чистое, оптически прозрачное и химическое-стойкое уплотнение только с помощью тепла и давления.

Но окно обработки для термосварки полимерных микрофлюидных устройств ограничено. Температура должна быть достаточной, чтобы облегчить взаимную диффузию полимерных цепей через границу раздела, тем самым образуя прочное соединение, но достаточно низкой, чтобы избежать вязкого течения, которое запечатало бы каналы. Температура стола должна быть одинаковой по всей площади чипа (обычно 25-100 см2) в пределах долей градуса. Давление должно быть равномерным и низким, чтобы каналы не сдавливались.

Прецизионное термическое склеивание с подогреваемыми плитами
Полимерный микрофлюидный чип приклеивается с помощью точного термического пресса с использованием техники с подогревом плит. Выровненные полимерные слои помещаются между двумя отполированными параллельно нагретыми плитами. Пластины прижимаются друг к другу под контролируемым усилием, и температура повышается до заданного значения склеивания.

Контроль температуры: окно перехода стекла
Каждый полимер имеет температуру стеклования (Tg) - — температуру, при которой он переходит из жесткого стеклообразного состояния в эластичное размягченное состояние. Для термического соединения температура обычно на 5–20 градусов выше Tg, но значительно ниже температуры плавления (для полу-кристаллических полимеров) или температуры разложения. Для обычных микрофлюидных полимеров:

Температура стеклования полимера (Tg) Типичные температуры склеивания
ПММА (акрил) 105 град. 110–120 град.
Поликарбонат (ПК) 145 градусов 150–160 градусов
COC (сополимер циклических олефинов) 80–140 градусов (зависит от марки) Tg + 10–15 градусов
ПС (полистирол) 100 градусов 105-115 градусов
Окно для склеивания герметично. Если температура слишком низкая, полимерные цепи недостаточно диффундируют, что приводит к плохому соединению и утечке. Если температура слишком высока, полимер слишком сильно размягчится, и приложенное давление приведет к провисанию или разрушению стенок канала, навсегда блокируя устройство. Нагретые плиты должны поддерживать заданное значение с точностью ±0,5 градуса или лучше по всей поверхности плиты.

Равномерность температуры: блокирование схлопывания локального канала
Основным источником проблем со склеиванием является-неравномерная температура плиты. Горячая область даже на 2-3 градуса выше заданного значения может вызвать локальный коллапс канала. Холодное пятно такой же величины обеспечивает слабую связь, которая будет протекать во время работы.

Высококачественные нагретые плиты для микрофлюидного соединения имеют однородность температуры ±0,3 градуса или выше по всей рабочей области. Это достигается за счет:

Многозонный-нагрев: плита разделена на независимо регулируемые зоны (например, сетка 3x3) с отдельным картриджным нагревателем и термопарой для каждой зоны.

Материалы с высокой -тепловой-проводимостью. Алюминиевые или медные пластины обеспечивают хорошее распространение тепла, но их высокий коэффициент теплового расширения (КТР) может вызвать изменение плоскостности при изменении температуры. Для ответственных применений используются сплавы с низким коэффициентом расширения (например, Invar® с КТР < 1,5 ppm/градус) или керамика (например, нитрид алюминия или макор). Плоскостность и параллельность этих материалов сохраняются во всем диапазоне температур.

Активная компенсация краев: края валика остывают быстрее, чем центр. Потери компенсируются краевыми нагревателями или изолированными краевыми зонами.

Валик представляет собой пару рук, нежных, идеально теплых и изысканно плоских, закрывающих крохотные лабораторные вены-на--чипе, не повреждая ни одного хрупкого капилляра.

Контроль давления: плавный, равномерный и параллельный
Давление, оказываемое плитами, должно быть

Низкое: обычно 0,1–1,0 МПа (15–150 фунтов на квадратный дюйм), в зависимости от полимера. Термическое соединение не требует более высокого давления и увеличивает вероятность схлопывания каналов.

Равномерность: Плиты должны быть параллельны с точностью до нескольких микрон. Если вы наклоните его хотя бы немного, вы концентрируете давление на одной стороне чипа, так что эта область разрушится, а противоположный край отсоединится.

Контролируется во время охлаждения Давление удерживается по мере охлаждения плит, поддерживая уровень стружки и предотвращая коробление из-за дифференциального теплового сжатия.

Пресс обычно оснащен прецизионным датчиком силы и устройствами параллельной регулировки (такими как сферические подшипники или клиновые системы). Сами плиты шлифуются и притираются до плоскостности менее или равной 2 мкм по рабочей зоне.

Отделка поверхности и разделительный слой
Поверхности валика, контактирующие с полимером, отполированы до зеркального блеска (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:

Валики с покрытием из ПТФЭ: поверхности валиков покрыты тонким прочным слоем ПТФЭ или ПФА. ПТФЭ не-не прилипает, поэтому прикрепленный чип можно легко удалить после охлаждения.

Защитные пленки: одноразовая пленка из фторполимера (например, лист ФЭП или ПТФЭ) помещается между каждым валиком и полимерным чипом. Поверхность всегда чистая и свободная от загрязнений, поскольку пленка меняется после каждого цикла приклеивания.

Для сверх-чистых применений, например, в медицинской диагностике, предпочтительными являются валики с покрытием из ПТФЭ-, поскольку они не требуют расходной защитной пленки и связанного с ней образования частиц.

Цикл термического соединения: пошаговый--процесс
Весь цикл склеивания точно контролируется, чтобы получить высокопрочное соединение без дефектов.

1. Вакуум и загрузка
Выровненные слои полимера помещаются между пластинами. Таблички сближаются с легким контактным давлением (достаточным, чтобы удержать слои на месте). В камере вокруг плит (или во всем корпусе пресса) вакуум обычно составляет 50–100 Па (0,5–1,0 мбар). Вакуум вытягивает воздух из микроканалов и границы раздела слоев.

Примечание по процессу: вакуумная среда во избежание образования пузырьков воздуха
Во время склеивания воздух, попавший в микроканалы, при нагревании расширяется и может либо удерживаться в виде пузырька (ограничивая поток жидкости), либо выходить наружу, создавая разрыв в размягченном полимере. Ни то, ни другое не является удовлетворительным результатом. Поэтому микрофлюидные чипы всегда термически скрепляются в условиях вакуума. Пылесос также удаляет летучие остатки с поверхности полимера, повышая прочность соединения. Периоды нагрева, замачивания и охлаждения выполняются под пылесосом.

Шаг 2: Скорость нагрева
Таблички нагреваются до температуры склеивания с регулируемой скоростью (обычно 10–30 град/мин). Скорость линейного изменения выбирается таким образом, чтобы позволить полимеру достичь теплового равновесия без термического шока. Контроллеры температуры обеспечивают однородность всех зон.

Шаг 3: пропитка связующего
После достижения температуры склеивания давление повышают до конечного давления склеивания (0,1–1,0 МПа). В течение 1–10 минут температура остается постоянной и происходит взаимная диффузия полимерных цепей через границу раздела. Минимальное время выдержки используется для предотвращения чрезмерной ползучести стенок канала.

Шаг 4. Охладитесь под давлением
После замачивания плиты охлаждаются (обычно путем пропускания воды или сжатого воздуха через внутренние охлаждающие каналы) при полном давлении склеивания. Скорость охлаждения регулируется (обычно 10-20 градусов в минуту), чтобы уменьшить термическое напряжение и деформацию. Если температура ниже Tg полимера (обычно 50-70 градусов), давление сбрасывают, вакуум откачивают и приклеенный чип удаляют. «Теперь у нас есть один монолитный чип с микроканалами, которые полностью герметичны».

Техническая точность: выбор правильного материала для плит
Выбор материалов плит обусловлен строгими требованиями к плоскостности и однородности температуры. Стандартные плиты из инструментальной стали или алюминия имеют большое тепловое расширение (КТР 12–23 частей на миллион/градус). Валик диаметром 100 мм, нагретый от 20 до 150 градусов, расширяется на 0,15-0,35 мм. Это можно отрегулировать конструкцией. Однако изменение плоскостности является более проблематичным: дифференциальное расширение между горячей стороной и более холодной задней стороной может привести к изгибу валика (биметаллический эффект).

Обычно используемые пластины для микрофлюидного склеивания:

Инвар 36 (железо-никелевый сплав, КТР ~ 1,2 ppm/градус): Форма почти стабильна при изменении температуры. Подходит для высокоточного склеивания при средней температуре (до 200 градусов). Стоимость материала высокая.

Суперинвар (железо-никель-кобальт, КТР=0.5 частей на миллион/градус: меньшее расширение, но более дорогой и трудный в обработке.

Керамика (оксид алюминия, нитрид алюминия, Macor): низкий КТР (от 4 до 8 ppm/C), высокая твердость, отличная теплопроводность (для нитрида алюминия). Macor — это обрабатываемая стеклокерамика. Керамика хрупкая вещь, поэтому обращаться с ней следует осторожно.

Сталь с низким-расширением (например, инструментальная сталь H13). Для менее требовательных к однородности может подойти толстая стальная плита с активным много-зонным контролем.

Для большинства видов производства микрофлюидной сварки предпочтительными альтернативами являются керамические плиты из инвара или нитрида алюминия с покрытием из ПТФЭ.

Вывод: блокировка микроскопических жидкостных магистралей
Нагретый стол — это точный и деликатный термический инструмент, который объединяет сложный крошечный мир микрофлюидного чипа. Это требует максимальной стабильности температуры и контроля давления. Пластины нагреваются до точной точки, чуть превышающей температуру стеклования слоев полимера (обычно 50-150 градусов с однородностью ±0,3 градуса), при которой поверхности размягчаются достаточно, чтобы обеспечить взаимную диффузию полимерных цепей, при этом применяется мягкое равномерное давление, чтобы избежать разрушения каналов нанолитрового масштаба. Вакуумная среда устраняет захваченные пузырьки воздуха. Материалы с низким-расширением (инвар или керамика) и антиадгезионные покрытия из ПТФЭ обеспечивают плоскостность и отсутствие-прилипания. В результате получается полностью функциональная, герметичная и оптически прозрачная лаборатория-на-чипе.

Плоская нагретая пластина определяет будущее медицинской диагностики. В каждой точке--теста, в ходе которого образец крови проходил через микроскопический лабиринт каналов, удерживался вместе нагретый стол - — бесшумная, точная и заботливая пара терморучек.