Un xip microfluídic de la mida de la-targeta de crèdit-, dissenyat per dur a terme mil reaccions químiques sobre una punxada de sang, està construït a partir de dues capes d'un polímer transparent, gravades amb canals microscòpics més prims que un cabell humà. Aquestes dues capes s'han d'unir de manera permanent en un sol cos lliure de fuites-. El procés és una dansa tèrmica delicada: les superfícies s'escalfen només a la seva temperatura de transició vítrea-prou suau per fusionar-se, però no prou calentes per fluir i col·lapsar les complicades característiques d'escala de nanolitres-. Els plats escalfats que realitzen aquesta unió són els ferros suaus i calents que segellen les minúscules carreteres líquides del laboratori-en-un-xip.
El repte d'enllaç en la fabricació de xips microfluídics de polímers
Els xips microfluídics (dispositius de laboratori-en-a-xip) es fabriquen a partir de polímers com el polimetilmetacrilat (PMMA), el policarbonat (PC), el copolímer d'olefina cíclica (COC) o el polidimetilsiloxà (PDMS). El procés de fabricació implica:
Patrons de microcanals: Es creen canals microscòpics (amples de 10 a 200 µm, profunditats de 5 a 50 µm) en una o ambdues capes de polímer mitjançant modelat per injecció, relleu en calent o ablació làser.
Alineació: Les dues capes estampades (o una capa estampada i una capa de coberta plana) estan alineades amb precisió de manera que els canals formen xarxes fluídiques contínues.
Vinculació: les capes alineades s'uneixen permanentment en un únic dispositiu-sense fuites sense ocluir ni distorsionar els canals delicats.
La vinculació és el pas més crític i desafiant. Els adhesius s'eviten generalment perquè poden penetrar als canals, alterar la química de la superfície o lixiviar contaminants a mostres biològiques. L'enllaç amb dissolvents pot inflar el polímer i distorsionar les dimensions del canal. L'enllaç tèrmic (també anomenat unió de fusió tèrmica) és el mètode preferit per a molts dispositius microfluídics de polímers perquè produeix un segell net, òpticament transparent i resistent-químic utilitzant només calor i pressió.
Tanmateix, l'enllaç tèrmic dels xips microfluídics de polímer té una finestra de procés estreta. La temperatura ha de ser prou alta com per promoure la interdifusió de cadenes de polímers a través de la interfície, creant un enllaç fort, però prou baixa com per evitar un flux viscós que tanqui els canals. La temperatura del plat ha de ser uniforme fins a una fracció de grau en tota l'àrea de l'encenall (sovint entre 25 i 100 cm²). La pressió aplicada ha de ser uniforme i baixa per evitar l'aixafament dels canals.
Com les platines escalfades permeten l'enllaç tèrmic de precisió
ElUnió de xips microfluídics de polímer de placa escalfadael procés es realitza en una premsa tèrmica de precisió. Les capes de polímer alineades es col·loquen entre dues planxes escalfades, paral·leles i molt polides. Les platines s'uneixen sota força controlada i la temperatura augmenta fins al punt de consigna d'enllaç.
Control de temperatura: la finestra de transició de vidre
Cada polímer té una temperatura de transició vítrea (Tg) - el punt en què canvia d'un estat rígid i vidre a un estat suau i de goma. L'enllaç tèrmic es realitza a una temperatura normalment entre 5 i 20 graus per sobre de la Tg, però molt per sota del punt de fusió (per als polímers semicristal·lins) o la temperatura de descomposició. Per als polímers microfluídics comuns:
| Polímer | Temperatura de transició de vidre (Tg) | Temperatura d'unió típica |
|---|---|---|
| PMMA (acrílic) | 105 graus | 110-120 graus |
| Policarbonat (PC) | 145 graus | 150-160 graus |
| COC (copolímer d'olefina cíclica) | 80-140 graus (depenent del grau) | Tg + 10–15 graus |
| PS (poliestirè) | 100 graus | 105-115 graus |
La finestra d'enllaç és estreta. Si la temperatura és massa baixa, les cadenes de polímers no es difonen prou, donant lloc a una unió feble i fuites. Si la temperatura és massa alta, el polímer s'estova excessivament i la pressió aplicada fa que les parets del canal s'enfonsin o col·lapsen, bloquejant permanentment el dispositiu. Les platines escalfades han de mantenir el punt de consigna amb una precisió de ± 0,5 graus o millor a tota la superfície de la platina.
Uniformitat de temperatura: evitant el col·lapse del canal local
Una temperatura no-uniforme del plató és la causa principal dels defectes d'unió. Un punt calent fins i tot 2-3 graus per sobre del punt de consigna pot provocar un col·lapse localitzat del canal, mentre que un punt fred de la mateixa magnitud produeix un enllaç feble que es filtrarà durant el funcionament.
Les platines escalfades d'alta-qualitat per a enllaços microfluídics aconsegueixen una uniformitat de temperatura de±0,3 grauso millor a tota l'àrea de treball. Això s'aconsegueix mitjançant:
Calefacció multi-zona: La platina es divideix en zones controlades de manera independent (per exemple, una graella 3×3), cadascuna amb el seu propi escalfador de cartutx i termoparell.
Materials d'alta-conductivitat-tèrmica: Les platines d'alumini o coure ofereixen una excel·lent propagació de la calor, però el seu alt coeficient d'expansió tèrmica (CTE) pot provocar canvis de planitud amb la temperatura. Per a aplicacions crítiques,aliatges de baixa -expansió(p. ex., Invar® amb CTE < 1,5 ppm/ grau ) oceràmica(per exemple, nitrur d'alumini o macor). Aquests materials mantenen la seva planitud i paral·lelisme en tot el rang de temperatures.
Compensació de la vora activa: Les vores de la platina perden calor més ràpidament que el centre. Els escalfadors de vora o les zones de vora controlades de manera independent compensen aquesta pèrdua.
El plat és un parell de mans suaus, perfectament càlids i exquisidament planes, que segellen les venes microscòpiques del laboratori-en-un-xip sense aixafar cap capil·lar fràgil.
Control de pressió: suau, uniforme i paral·lel
La pressió aplicada pels plats ha de ser:
Baixa: Normalment 0,1–1,0 MPa (15–150 psi), depenent del polímer. No calen pressions més altes per a l'enllaç tèrmic i augmenten el risc de col·lapse del canal.
Uniforme: Les platines han d'estar paral·leles a uns pocs micròmetres. Qualsevol inclinació concentra la pressió en una vora del xip, fent que aquesta àrea es col·lapsi mentre la vora oposada roman sense unir-se.
Controlat durant la refrigeració: La pressió es manté a mesura que es refreden els plats, mantenint el xip pla i evitant la deformació a causa de la contracció tèrmica diferencial.
La premsa normalment està equipada amb un transductor de força de precisió i mecanismes d'ajust paral·lel (per exemple, coixinets esfèrics o sistemes de falca). Les planxes en si es molen i es lliguen fins a una planitud inferior o igual a 2 µm sobre l'àrea de treball.
Acabat superficial i capa d'alliberament
Les superfícies de la planxa en contacte amb el polímer es polien fins a un acabat mirall (Ra inferior o igual a 0,1 µm) per evitar transferir la rugositat superficial al xip. Una capa d'alliberament és essencial per evitar que el polímer suavitzat s'adhereixi a les plaques metàl·liques. Les solucions comunes inclouen:
Plaques recobertes-de PTFE: S'aplica un recobriment de PTFE o PFA prim i durador a les superfícies de la placa. La propietat antiadherent del PTFE-permet que el xip unit es pugui treure fàcilment després de refredar-se.
Estrena pel·lícules: Es col·loca una pel·lícula de fluoropolímer d'un sol ús (per exemple, una làmina de FEP o PTFE) entre cada platina i el xip de polímer. La pel·lícula es substitueix després de cada cicle d'unió, assegurant una superfície impecable i lliure de contaminació-.
Per a aplicacions ultra-netes (p. ex., diagnòstics mèdics), es prefereixen les platines recobertes de PTFE- perquè eliminen la pel·lícula d'alliberament consumible i la generació de partícules associades.
El cicle d'enllaç tèrmic: pas a pas
El cicle complet d'unió es controla acuradament per aconseguir una unió-elevada i sense defectes-.
Pas 1: càrrega i buit
Les capes de polímer alineades es col·loquen entre les platines. Les platines es tanquen a una lleugera pressió de contacte (només suficient per mantenir les capes al seu lloc). La cambra que envolta les platines (o tot el recinte de la premsa) s'evacua a un buit de 50 a 100 Pa (0,5 a 1,0 mbars). El buit elimina l'aire dels microcanals i de la interfície entre les dues capes.
Nota del procés: entorn de buit per evitar bombolles d'aire atrapades
L'aire atrapat als microcanals durant l'enllaç s'expandeix quan s'escalfa i pot romandre com una bombolla (blocant el flux de fluid) o escapar forçant una ruptura en el polímer suavitzat. Tots dos resultats són inacceptables. Per tant, l'enllaç tèrmic dels xips microfluídics es realitza sempre al buit. El buit també elimina els residus volàtils de la superfície del polímer, millorant la força d'unió. El buit es manté durant les fases d'escalfament, remull i refredament.
Pas 2: rampa de calefacció
Els plats s'escalfen a una velocitat de rampa controlada (normalment de 10 a 30 graus per minut) fins a la temperatura d'unió. La velocitat de rampa es tria per permetre que el polímer assoleixi l'equilibri tèrmic sense xoc tèrmic. Els controladors de temperatura mantenen la uniformitat en totes les zones.
Pas 3: Remull d'enllaç
Un cop s'arriba a la temperatura d'enllaç, la pressió augmenta fins a la pressió d'enllaç final (0,1-1,0 MPa). La temperatura es manté constant durant un període de remull d'1 a 10 minuts, permetent la interdifusió de la cadena de polímers a través de la interfície. El temps de remull es redueix al mínim per evitar un fluix excessiu de les parets del canal.
Pas 4: refredament sota pressió
Després del remull, els plats es refreden (normalment fent circular aigua o aire comprimit a través dels canals de refrigeració interns) mentre es manté la pressió d'unió completa. La velocitat de refrigeració es controla (normalment entre 10 i 20 graus per minut) per evitar l'estrès tèrmic i la deformació. Quan la temperatura cau per sota de la Tg del polímer (normalment entre 50 i 70 graus), la pressió s'allibera, el buit es ventila i s'elimina el xip unit. El xip és ara un únic dispositiu monolític amb canals a microescala totalment segellats.
Precisió tècnica: selecció de material per a platines
Els requisits exigents d'uniformitat de temperatura i planitud impulsen l'elecció dels materials de platina. Els plats estàndard d'acer per eines o d'alumini pateixen una expansió tèrmica important (CTE de 12-23 ppm/grau). Una placa de 100 mm escalfada de 20 graus a 150 graus s'expandeix entre 0,15 i 0,35 mm, cosa que es pot compensar segons el disseny. Tanmateix, més problemàtic és el canvi de planitud: l'expansió diferencial entre la cara escalfada i la cara posterior més freda pot provocar que la platina s'inclini (efecte bimetàl·lic).
Per a l'enllaç microfluídic, les platines solen estar fetes de:
Invar 36(aliatge de ferro-níquel, CTE ≈ 1,2 ppm/grau): Manté unes dimensions gairebé-constants sobre la temperatura. S'utilitza per a unió d'alta-precisió i temperatura-moderada (fins a 200 graus). Alt cost del material.
Super Invar(fer-níquel-cobalt, CTE ≈ 0,5 ppm/grau): expansió encara més baixa, però més cara i més difícil de mecanitzar.
Ceràmica (alúmina, nitrur d'alumini, Macor): CTE baix (4–8 ppm/grau), alta duresa, excel·lent conductivitat tèrmica (per a nitrur d'alumini). Macor és vidre-ceràmica mecanitzable. La ceràmica és trencadissa i requereix una manipulació acurada.
Acer de baixa-expansió (p. ex., acer per eines H13): Per a requisits de precisió més baixos, una planxa d'acer gruixuda amb control actiu de -zones múltiples pot aconseguir una uniformitat acceptable.
Per a la majoria d'enllaços microfluídics de producció, les platines de ceràmica Invar o nitrur d'alumini amb recobriment de PTFE són les opcions preferides.
Conclusió: segellat de les carreteres líquides microscòpiques
La platina escalfada és l'eina tèrmica de precisió i suau que fusiona el món complex i microscòpic d'un xip microfluídic, un procés que requereix la màxima uniformitat de temperatura i control de pressió. En escalfar les capes de polímer fins a un punt precís just per sobre de la seva temperatura de transició vítrea-normalment entre 50 i 150 graus amb una uniformitat de ± 0,3 graus-, les platines suavitzen les superfícies prou per a la interdifusió de la cadena de polímers mentre s'aplica una pressió suau i uniforme que evita col·lapsar els canals de nanolitre{6}. L'entorn de buit evita que hi hagi bombolles d'aire atrapades, mentre que els materials de baixa-expansió (Invar o ceràmica) i els recobriments d'alliberament de PTFE garanteixen la planitud i el funcionament anti-. El resultat és un laboratori perfectament segellat, òpticament clar i totalment funcional-en-un-xip.
El futur del diagnòstic mèdic està segellat per una placa calenta i perfectament plana. En totes les proves--de punt de cura que passa una mostra de sang a través d'un laberint microscòpic de canals, l'enllaç que uneix aquest laberint es va forjar mitjançant una placa escalfada-un parell de mans tèrmiques silencioses, precises i suaus.
