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

Napravljen od dva sloja prozirnog polimera s izrezbarenim mikroskopskim kanalima tanjim od ljudske dlake, mikrofluidni čip veličine je kreditne kartice i izvodi tisuću kemijskih reakcija na ubod krvi. Dva sloja moraju biti sigurno povezana kao jedno tijelo koje-ne propušta. To je delikatan toplinski ples. Površine su zagrijane do svoje temperature staklastog prijelaza, dovoljno mekane da se stapaju, ali nedovoljno vruće da teku i skupljaju izuzetne značajke nanolitarske skale. Ova blaga, vruća glačala zatvaraju puteve mikroskopske tekućine u laboratoriju-na--čipu, pričvršćujući elastomer na podlogu grijanim pločama.

Izazov vezivanja u proizvodnji polimernih mikrofluidnih čipova
Mikrofluidni čipovi (lab-on-a-chip device) izrađeni 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 izrađuju se na jednom ili oba polimerna sloja injekcijskim prešanjem, toplinskim utiskivanjem ili laserskom ablacijom. Širina kanala može biti u rasponu od 10 do 200 µm, a dubina od 5 do 50 µm.

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

Spajanje: usklađeni slojevi čvrsto su spojeni kako bi formirali jedan nepropusni-uređaj bez začepljenja ili izobličenja sićušnih kanala.

Vezivanje je najvažnija i najteža faza. Ljepila se obično izbjegavaju jer imaju tendenciju curenja u kanale, mijenjaju kemijski sastav površine ili propuštaju zagađivače u biološke uzorke. Vezanje otapala moglo bi proširiti polimer i iskriviti dimenzije kanala. Toplinsko spajanje (također poznato kao spajanje toplinskom fuzijom) preferirana je metoda za mnoge polimerne mikrofluidne uređaje, budući da stvara čisto, optički prozirno i -kemijski otporno brtvljenje samo toplinom i pritiskom.

Ali prozor obrade je tijesan za toplinsko spajanje polimernih mikrofluidnih uređaja. Temperatura bi trebala biti dovoljno dovoljna da olakša međusobnu difuziju polimernih lanaca preko sučelja, čime se stvara jaka veza, ali dovoljno niska da se izbjegne viskozno strujanje koje bi začepilo kanale. Temperatura ploče mora biti ujednačena na cijelom području čipa (obično 25-100 cm2) unutar djelića stupnja. Pritisak treba biti ujednačen i nizak kako se kanali ne bi zdrobili.

Precizno toplinsko lijepljenje s grijanim pločama
Polimerni mikrofluidni čip spaja se pomoću precizne toplinske preše s tehnikom grijane ploče. Poravnani slojevi polimera su u sendviču između dvije visoko polirane, paralelno grijane ploče. Ploče se pritisnu jedna uz drugu pod kontroliranom silom i temperatura se podigne do zadane točke lijepljenja.

Kontrola temperature: prozor staklene tranzicije
Svaki polimer ima temperaturu staklastog prijelaza (Tg) - temperaturu na kojoj prelazi iz krutog, staklastog stanja u gumenasto, omekšano stanje. Za toplinsko spajanje, temperatura je obično 5-20 stupnjeva iznad Tg, ali znatno ispod točke taljenja (za polu-kristalne polimere) ili temperature razgradnje. Za konvencionalne mikrofluidne polimere:

Temperatura staklenog prijelaza polimera (Tg) Tipične temperature lijepljenja
PMMA (akril) 105 stupnjeva 110–120 stupnjeva
Polikarbonat (PC) 145 stupnjeva 150–160 stupnjeva
COC (ciklički olefinski kopolimer) 80–140 stupnjeva (ovisno o stupnju) Tg + 10–15 stupnjeva
PS (polistiren) 100 stupnjeva 105-115 stupnjeva
Prozor za lijepljenje je tijesan. Ako je temperatura preniska, polimerni lanci ne difundiraju dovoljno međusobno, što dovodi do lošeg spajanja i curenja. Ako je temperatura previsoka, polimer će previše omekšati, a primijenjeni pritisak uzrokovat će 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: Blokiranje kolapsa lokalnog kanala
Glavni izvor problema s lijepljenjem je ne-ujednačena temperatura ploče. Vruće područje od čak 2-3 stupnja C iznad zadane vrijednosti može uzrokovati lokalizirani kolaps kanala. Hladna točka iste veličine osigurava slabu vezu koja će curiti tijekom rada.

Visokokvalitetne grijane ploče za mikrofluidno spajanje imaju temperaturnu homogenost od ±0,3 stupnja ili više u radnom području. To se postiže:

Više{0}}zonsko grijanje: ploča je podijeljena na neovisno regulirane zone (npr. rešetka 3x3) s zasebnim patronskim grijačem i termoelementom za svaku zonu.

Materijali visoke -toplinske-vodljivosti: Aluminijske ili bakrene ploče daju veliko širenje topline, ali njihov visoki koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) može izazvati promjene ravnosti s temperaturom. Za kritične primjene koriste se legure niske ekspanzije (npr. Invar® s CTE < 1,5 ppm/stupanj) ili keramika (npr. aluminijev nitrid ili macor). Ravnost i paralelnost ovih materijala očuvana je u cijelom temperaturnom rasponu.

Aktivna kompenzacija rubova: rubovi ploče hlade se brže od središta. Gubitak se kompenzira rubnim grijačima ili izoliranim rubnim zonama.

Ploča je par ruku, delikatnih, savršeno toplih i izuzetno ravnih, koje zatvaraju malene 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. Toplinsko lijepljenje ne zahtijeva veće pritiske i povećava mogućnost kolapsa kanala.

Ujednačeno: ploče moraju biti paralelne unutar nekoliko mikrona. Ako ga čak i malo nagnete, koncentrirate pritisak na jednu stranu čipa tako da se to područje skupi, a suprotni rub ne bude spojen.

Kontrolirano tijekom hlađenja Tlak se održava dok se ploče hlade, održavajući razinu strugotine i sprječavajući savijanje zbog diferencijalne toplinske kontrakcije.

Preša je obično opremljena preciznim pretvaračem sile i uređajima za paralelno podešavanje (kao što su sferični 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 valjka u kontaktu s polimerom poliranim do zrcalnog izgleda (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:

Ploče presvučene PTFE-om: Površine ploča prekrivene su tankim izdržljivim slojem PTFE ili PFA. PTFE nije-ljepljiv pa se pričvršćeni čip može lako ukloniti nakon hlađenja.

Filmovi za odvajanje: fluoropolimerni film za jednokratnu upotrebu (npr. FEP ili PTFE ploča) postavlja se između svake ploče i polimernog čipa. Površina je uvijek čista i bez onečišćenja jer se film mijenja nakon svakog ciklusa lijepljenja.

Za ultra-čiste primjene, npr. medicinsku dijagnostiku, poželjne su ploče presvučene PTFE-om jer ne zahtijevaju film za odvajanje potrošnog materijala i stvaranje čestica povezano s njim.

Ciklus toplinskog lijepljenja: proces-po-korak
Cijeli ciklus lijepljenja je precizno upravljan kako bi se dobila veza bez nedostataka visokog prinosa.

1. Vakuum i punjenje
Poravnani polimerni slojevi stisnuti su između ploča. Ploče se spajaju uz lagani kontaktni pritisak (tek toliko da drže slojeve na mjestu). Komora oko ploča (ili cijelo kućište preše) se isprazni do vakuuma od obično 50–100 Pa (0,5–1,0 mbar). Vakuum izvlači zrak iz mikrokanala i sučelja između slojeva.

Napomena o postupku: Vakuumsko okruženje za izbjegavanje zarobljenih mjehurića zraka
Tijekom spajanja, zrak zarobljen u mikrokanalima širi se zagrijavanjem i može se ili zadržati kao mjehurić (ograničavajući protok tekućine) ili pobjeći stvarajući pukotinu u omekšanom polimeru. Ni jedno ni drugo nije zadovoljavajući rezultat. Stoga su mikrofluidni čipovi uvijek toplinski vezani u uvjetima vakuuma. Usisivač također uklanja hlapljive ostatke na površini polimera povećavajući snagu veze. Razdoblja grijanja, namakanja i hlađenja se sva provode pod usisivačem.

Korak 2: Brzina zagrijavanja
Ploče se zagrijavaju do temperature lijepljenja reguliranom brzinom (obično 10–30 stupnjeva/min). Brzina povećanja je odabrana kako bi polimer postigao toplinsku ravnotežu bez toplinskog udara. Regulatori temperature osiguravaju ujednačenost svih zona.

Korak 3: natapanje veze
Nakon postizanja temperature lijepljenja tlak se podiže do konačnog tlaka lijepljenja (0,1 – 1,0 MPa). Tijekom trajanja od 1-10 minuta, temperatura ostaje konstantna i odvija se interdifuzija polimernog lanca preko sučelja. Minimalno vrijeme namakanja koristi se kako bi se spriječilo prekomjerno puzanje stijenki kanala.

Korak 4: Ohladite pod pritiskom
Nakon namakanja, ploče se hlade (obično propuštanjem vode ili komprimiranog zraka kroz unutarnje kanale za hlađenje) pod punim tlakom vezivanja. Brzina hlađenja je prilagođena (obično 10-20 stupnjeva / minuti) kako bi se smanjio toplinski stres i savijanje. Ako je temperatura ispod Tg polimera (obično 50-70 stupnjeva), pritisak se otpušta, vakuum se isprazni, a spojeni čip se uklanja. "Sada imamo jedan monolitni čip s mikrorazmjernim kanalima koji su potpuno zatvoreni."

Tehnička točnost: Odabir pravog materijala za ploče
Odabir materijala za ploče vođen je strogim zahtjevima ravnosti i temperaturne homogenosti. Standardne ploče od alatnog čelika ili aluminija imaju veliku toplinsku ekspanziju (CTE 12–23 ppm/stupanj). Ploča od 100 mm zagrijana od 20 stupnjeva do 150 stupnjeva širi se za 0,15-0,35 mm. Ovo se može prilagoditi prema dizajnu. Promjena ravnosti je, međutim, problematičnija: diferencijalna ekspanzija između vruće strane i hladnije stražnje strane može uzrokovati savijanje ploče (bimetalni učinak).

Uobičajeno korištene mikrofluidne ploče za spajanje su:

Invar 36 (legura željeza-nikla, CTE ~ 1,2 ppm/stupanj): oblik je gotovo stabilan s temperaturom. Prikladno za lijepljenje visoke točnosti na srednjoj temperaturi (do 200 stupnjeva). Visoki trošak materijala.

Super Invar (željezo-nikal-kobalt, CTE=0.5 ppm/ stupanj ): Manje širenje, ali skuplje i teže za obradu.

Keramika (aluminijev oksid, aluminijev nitrid, Macor): nizak CTE (4 do 8 ppm/C), velika tvrdoća, izvrsna toplinska vodljivost (za aluminijev nitrid). Macor je staklokeramika koja se može obraditi. Keramika je osjetljiva i s njom treba pažljivo rukovati.

Čelik niske-ekspanzije (npr. H13 alatni čelik): Za manje zahtjevnu homogenost može biti prikladna debela čelična ploča s aktivnom kontrolom više-zona.

Za većinu proizvodnih mikrofluidnih veza, invar ili aluminij nitrid keramičke ploče s PTFE oblogom su omiljene alternative.

Zaključak: blokiranje mikroskopskih tekućih autocesta
Grijana ploča je precizan, delikatan termalni alat koji spaja komplicirani, maleni svijet mikrofluidnog čipa. Zahtijeva maksimalnu konzistentnost temperature i kontrolu tlaka. Ploče se zagrijavaju do točne točke točno iznad temperature staklastog prijelaza polimernih slojeva (obično 50-150 stupnjeva s jednolikošću od ±0,3 stupnja) na kojoj površine omekšaju dovoljno da dopuste međudifuziju polimernog lanca dok se primjenjuje blagi jednolični pritisak kako bi se izbjeglo kolabiranje nanolitarskih kanala kamenca. Vakuumsko okruženje eliminira zarobljene mjehuriće zraka. Materijali niske-ekspanzije (Invar ili keramika) i PTFE premazi za odvajanje osiguravaju ravnost i-neprianjanje. To rezultira potpuno funkcionalnim, hermetički zatvorenim, optički čistim laboratorijem-na-čipu.

Ravna, zagrijana ploča određuje budućnost medicinske dijagnoze. Svaku točku--testiranja koja je gurala uzorak krvi kroz mikroskopski labirint kanala držala je zajedno grijana ploča - tihi, precizni i suosjećajni par termalnih ruku.