Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos d’unió tèrmica
Abstract
El grup de recerca de Micro Tech Lab de l’ESEIAAT, a Terrassa, s’encarrega de l’estudi i la investigació en el camp de la microfluídica. Actualment, es realitza l’estudi de dos dispositius dissenyats i validats al Micro Tech Lab per la seva posterior comercialització. Aquests dispositius són l’IBLOOD, per a la separació del plasma de la sang, i un col·lector de suor per una posterior anàlisi d’aquesta. Aquest treball se centra en l’estudi dels paràmetres de la tècnica de fabricació de Hot Embossing (HE) per la producció en sèrie de dispositius microfluídics. El comportament de dos materials diferents, el Polimetil metacrilat (PMMA) i el Flexdym, s’estudia mitjançant aquest procés. Posteriorment s’analitza la capacitat d’unió d’aquests materials entre ells mateixos i la seva combinació mitjançant diferents tècniques d’unió tèrmica. La incorporació d’una nova eina al laboratori, una premsa tèrmica, permet la introducció del procés de HE per a la fabricació. És un procés escalable i amb una baixa inversió inicial del qual s’obtenen bones replicacions a escala micromètrica en períodes de temps relativament baixos. Diverses tècniques d’unió, com la tèrmica o tèrmica assistida per solvents, es realitzen per a la posterior anàlisi del comportament dels diferents processos en el PMMA i el Flexdym. Es duen a terme diferents assajos sotmetent els substrats a un cert rang de pressions per a la comprovació de l’efectivitat en les diferents unions realitzades. Finalment, s’arriba a l’acceptació d’uns protocols clars tant pel procés de HE com d’unió en els materials esmentats. S’adapta la fabricació dels dispositius estudiats als recursos del laboratori i s’aconsegueix apropar-se a la futura possibilitat de la seva comercialització en un futur no molt llunyà.
Full text
Treball de Fi de Grau/Màster Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos d’unió tèrmica MEMÒRIA Autor: Arnau Serra Sagués Directora: Jasmina Casals Terré Ponent: Rosa Pàmies Vilà Convocatòria: Gener 2021 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona
Pàg. 2 Memòria
Pàg. 3 Resum El grup de recerca de Micro Tech Lab de l’ESEIAAT, a Terrassa, s’encarrega de l’estudi i la investigació en el camp de la microfluídica. Actualment, es realitza l’estudi de dos dispositius dissenyats i validats al Micro Tech Lab per la seva posterior comercialització. Aquests dispositius són l’IBLOOD, per a la separació del plasma de la sang, i un col·lector de suor per una posterior anàlisi d’aquesta. Aquest treball se centra en l’estudi dels paràmetres de la tècnica de fabricació de Hot Embossing (HE) per la producció en sèrie de dispositius microfluídics. El comportament de dos materials diferents, el Polimetil metacrilat (PMMA) i el Flexdym, s’estudia mitjançant aquest procés. Posteriorment s’analitza la capacitat d’unió d’aquests materials entre ells mateixos i la seva combinació mitjançant diferents tècniques d’unió tèrmica. La incorporació d’una nova eina al laboratori, una premsa tèrmica, permet la introducció del procés de HE per a la fabricació. És un procés escalable i amb una baixa inversió inicial del qual s’obtenen bones replicacions a escala micromètrica en períodes de temps relativament baixos. Diverses tècniques d’unió, com la tèrmica o tèrmica assistida per solvents, es realitzen per a la posterior anàlisi del comportament dels diferents processos en el PMMA i el Flexdym. Es duen a terme diferents assajos sotmetent els substrats a un cert rang de pressions per a la comprovació de l’efectivitat en les diferents unions realitzades. Finalment, s’arriba a l’acceptació d’uns protocols clars tant pel procés de HE com d’unió en els materials esmentats. S’adapta la fabricació dels dispositius estudiats als recursos del laboratori i s’aconsegueix apropar-se a la futura possibilitat de la seva comercialització en un futur no molt llunyà.
Pàg. 4 Memòria Sumari 1. Glossari .............................................................................................................. 7 2. Introducció ..................................................................................................... 15 2.1. Objectius del projecte ...................................................................................... 16 2.2. Dispositius ......................................................................................................... 16 2.2.1. iBLOOD .................................................................................................................... 17 2.2.2. Col·lector de suor .................................................................................................... 20 3. Conceptes bàsics ......................................................................................... 23 3.1. Que és la microfluídica? ................................................................................. 23 3.2. Tècniques de fabricació .................................................................................. 24 3.3. Materials ............................................................................................................. 28 3.4. Equipament ........................................................................................................ 31 4. Hot embossing .............................................................................................. 37 4.1. Estat de l’art ....................................................................................................... 37 4.2. Termoplàstics: PMMA...................................................................................... 40 4.2.1. Estudi preliminar ...................................................................................................... 41 4.2.2. Estudi iBLOOD ........................................................................................................ 49 4.3. sTPE: Flexdym .................................................................................................. 52 4.3.1. Estudi preliminar ...................................................................................................... 53 4.3.2. Estudi col·lector de suor ......................................................................................... 63 5. Unió .................................................................................................................. 65 5.1. Estat de l’art ....................................................................................................... 65 5.2. Experimental ...................................................................................................... 68 5.2.1. Estudi d’unió de PMMA-PMMA ............................................................................. 69 5.2.2. Estudi d’unió Flexdym-Flexdym............................................................................. 76 5.2.3. Estudi d’unió PMMA-Flexdym................................................................................ 78 6. Aplicacions ..................................................................................................... 82 6.1. iBLOOD ............................................................................................................... 82 6.2. Col·lector de suor ............................................................................................. 84
Pàg. 5 7. Avaluació econòmica ................................................................................... 87 8. Impacte ambiental ......................................................................................... 89 9. Conclusions .................................................................................................... 90 9.1. iBLOOD ............................................................................................................... 90 9.2. Col·lector de suor ............................................................................................. 91 9.3. Línies futures de treball ................................................................................... 92 Agraïments ............................................................................................................ 94 Bibliografia ............................................................................................................ 95 Referències bibliogràfiques ...................................................................................... 95
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 7 1. Glossari HE: Hot embossing. LOC: Lab-On-Chip. Tg: Temperatura de transició vítria. sTPE: Soft Thermoplastic Elastomer. HT: Holding Time. CT: Cooling Time. ∂ : Paràmetre de Hildebrandt. PMMA: Polimetil metacrilat. PC: Policarbonat. PS: Poliestirè. COC: Cyclo-olefin copolymer. PGMEA: Propylene Glycol Methyl Ether Acetate
Pág. 8 Memoria Llistat de figures Figura 2.1. Motlles d’alumini per a la fabricació de l’iBLOOD. a) Motlle de la peça superior. b) Motlle de la peça inferior. ............................................................................................................... 18 Figura 2.2. a) Planta del motlle de la peça superior b) Planta del motlle de la peça inferior . 18 Figura 2.3. Representació esquemàtica de la secció del dispositiu. ........................................ 19 Figura 2.4. Perfil del dispositiu amb les dues peces unides. ..................................................... 19 Figura 2.5. Col·lectors de suor amb fonts externes a) Dispositiu recol·lector de suor b) Dispositiu d’anàlisis de suor. Adaptada de [6]. ............................................................................ 20 Figura 2.6. Esquema de l’adaptació del dispositiu a la pell. ...................................................... 21 Figura 2.7. Possibles dissenys dels canals per la recol·lecció de suor a) Disseny de serpentina amb reservoris. b) Disseny d’espiral. C) Disseny amb reservoris. d) Disseny de serpentina. ........................................................................................................................................................... 22 Figura 3.1. Idea il·lustrativa de LOC. Adaptada de [16]. ............................................................ 23 Figura 3.2. Etapes en la tècnica de fabricació soft lithography. Adaptada de [22]. ................ 25 Figura 3.3. Exemple esquemàtic de la posició de les diferents làmines en la tècnica de laminació. Adaptada de [25]. ......................................................................................................... 26 Figura 3.4. Exemple esquemàtic de la tècnica de fabricació d’injecció per motlle. Adaptada de [17]. .............................................................................................................................................. 26 Figura 3.5. Exemple esquemàtic de la tècnica de fabricació de HE. Adaptada de [26]. ....... 27 Figura 3.6. Flexdym. Adaptada de [35]........................................................................................ 30 Figura 3.7. a) Gràfic de la disminució de temperatura de les plaques b) Premsa tèrmica del laboratori. ......................................................................................................................................... 32 Figura 3.8. Microscopi òptic del laboratori. .................................................................................. 33
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 9 Figura 3.9. Patró de dimensions micromètriques observat amb el microscòpic òptic. .......... 33 Figura 3.10. a) Perfilòmetre del laboratori. b) Software Profilm. .............................................. 34 Figura 3.11. Netejador d’ultrasons del laboratori. ...................................................................... 35 Figura 3.12. Sistema d’activació per O2 Plasma del laboratori. ............................................... 36 Figura 3.13. Esquema de funcionament del sistema de pressurització ELVEFLOW del laboratori. Adaptada de [40]. ......................................................................................................... 36 Figura 4.1. Tipus de HE a) HE convencional. B) “Roller to roller” HE. Adaptada de [41]. .... 38 Figura 4.2. Imatges SEM on es mostra la secció del canal. a) Mala replicació. b) Bona replicació. Adaptada de [47]. ......................................................................................................... 39 Figura 4.3. Comportament del polímer en el procés de HE a) Aplicació de pressió en el substrat. b) Circulació del polímer en estat viscós. c) Manteniment de la pressió per l’ompliment de les cavitats. d) Ompliment i replicació finalitzada. Adaptada de [47]. ............. 40 Figura 4.4. Pantalles incorporades a la premsa tèrmica. .......................................................... 41 Figura 4.5. Palanca de la premsa tèrmica on es representa 1 moviment. .............................. 42 Figura 4.6. Gràfic de pressió/temperatura vs temps on es mostren les diferents etapes del procés de HE. Adaptada de [48]................................................................................................... 43 Figura 4.7. Representació de les diferents zones d’estudi en el motlle d’alumini. ................. 43 Figura 4.8. a) Gràfic de les amplades dels canals en cada experiment. b) Gràfica de les profunditats dels canals en cada experiment. ............................................................................. 46 Figura 4.9. Imatge del perfilòmetre de l’experiment 1 on s’observa una zona d’1 mm sense detecció de punts. .......................................................................................................................... 46 Figura 4.10. Imatge del perfilòmetre de l’experiment 5. ............................................................ 47 Figura 4.11. Peces de PMMA tallades amb làser de CO2 per a la construcció de l’iBLOOD. a) Peça superior. b) Peça inferior...................................................................................................... 49 Figura 4.12. a) Primer disseny de la peça inferior. b) Disseny modificat de la peça inferior. 50 Figura 4.13. Imatges de les diferents zones capturades amb el microscopi òptic. a) Zona de mesura 1. b) Zona de mesura 2. c) Zona de mesura 3 ............................................................. 51
Pág. 16 Memoria del HE i assistida per solvents. En resum, el treball es basa en la cerca d’un protocol clar per a la producció de peces amb dimensions de l’escala de micres, que vagin des d’un rang de poques micres a centenars, a través d’una extensa recerca en diferents estudis, la realització d’experiments, estudis estadístics, la interpretació dels resultats obtinguts i la cerca de solucions en les dificultats trobades. Posteriorment, es realitzarà una validació del protocol establert aplicant-ho a la fabricació dels dispositius funcionals tenint en compte l’optimització del procés i iniciar el primer pas per a l’elaboració d’uns dispositius de qualitat per a una futura comercialització. En el següent punt es resumeixen els objectius principals imposats a aconseguir en aquest projecte. 2.1. Objectius del projecte Els principals objectius a assolir en aquest estudi són els següents: - Definir un protocol clar de fabricació per HE, tant per PMMA com Flexdym, obtenint una replicació reproduïble i de qualitat. A partir d’aquí, adaptar el coneixement adquirit en el procés de HE per a la fabricació dels dispositius funcionals. - Explorar diverses estratègies d’unió pels nous materials introduïts al laboratori i definir un protocol estàndard adaptat a la fabricació dels dispositius funcionals. - Modificar, si és necessari, el disseny dels dispositius adaptant-se als recursos proporcionats pel laboratori sempre pensant en l’obtenció d’un producte de bona qualitat. 2.2. Dispositius En aquest apartat es defineixen detalladament els dispositius estudiats. La motivació per a la construcció d’aquests dispositius, el seu funcionament i una descripció detallada de les seves característiques es resumeix en els següents punts.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 17 2.2.1. iBLOOD A través de l’anàlisi clínica del plasma de la sang, es poden diagnosticar certes patologies i alteracions fisiològiques. La sang està formada per globus vermells, globus blancs, plaquetes i el plasma. Aquest últim conté informació de diferents biomarcadors d’interès, però, per aconseguir-la és necessari separar-lo de la sang. Per tal de dur a terme aquesta separació normalment s’utilitza la centrifugació, fet que requereix una centrífuga que normalment s’ubica en un laboratori especialitzat. Per minimitzar l’error, reduir el temps de recol·lecció per l’anàlisi i obtenir així uns resultats més ràpids, més barats i amplis, el laboratori de MicroTech de l’ESEIAAT ha dissenyat un dispositiu anomenat iBLOOD [1]. L’objectiu principal d’aquest dispositiu consisteix a dur a terme la separació del plasma de la sang mitjançant canals microfluídics. Es tracta d’un dispositiu d’un sol ús, el qual permetria la realització de la separació, que actualment suposa vàries hores, en minuts. També, es tracta d’un dispositiu portable gràcies a les seves dimensions. Aquesta característica facilita la utilització del dispositiu en qualsevol lloc, sense la necessitat d’un laboratori. Les principals característiques de l’iBLOOD són la manera automàtica de treballar gràcies a la pressió capil·lar i, conseqüentment, l’eliminació de fonts externes. Aquesta pressió capil·lar requerida per a conduir les mostres depèn del material, la hidrofilicitat 1 i la tensió superficial d’aquest [2]. Actualment la creació d’aquest dispositiu es realitza a partir de PDMS i la tècnica de soft lithography. El PDMS és un material hidrofòbic, fet que comporta que calgui tractar-lo per a poder ser utilitzat en l’iBLOOD i complica el procés de fabricació. Addicionalment, una altra dificultat associada és la no escalabilitat de la tècnica de soft lithography, com ja s’ha comentat. Per tal d’evitar aquestes complicacions, en el present treball s’estudia el PMMA (material hidrofílic per naturalesa), com a material alternatiu, i la tècnica de HE. La fabricació del dispositiu consisteix en l’obtenció de dues peces diferents que caldrà unir per tal que el dispositiu pugui dur a terme la seva funció. Les dues peces es fabriquen amb dos motlles d’alumini, els quals foren dissenyats per tal que les peces es duguessin a terme per injecció per motlle. Tot i això, en aquest treball es pretén reutilitzar els motlles per comprovar si és possible utilitzar-los en la tècnica de HE. 1 Hidrofilicitat: Propietat dels materials d’atraure les molècules d’aigua d’una solució aquosa a la seva superfície i repartir-les uniformement. Aquesta propietat és important en microfluídica, ja que permet un flux espontani pels canals, sense necessitat d’energia externa.
Pág. 18 Memoria Figura 2.1. Motlles d’alumini per a la fabricació de l’iBLOOD. a) Motlle de la peça superior. b) Motlle de la peça inferior. El motlle superior i l’inferior són els següents mostrats a la Figura 2.1ab: A la peça superior del dispositiu se li repliquen els canals, de 20µm de profunditat, amb un disseny prèviament estudiat per tal de maximitzar la separació, un rebaix de 2µm que envolta els canals i dos forats, un dels quals permet la recol·lecció de la sang. En la següent Figura 2.2a s’observa de manera més entenedora la planta del dispositiu on es veuen els canals amb la seva forma, el rebaix i el forat d’entrada. Per tal d’optimitzar la recollida del plasma, s’utilitza un motlle diferent, veure Figura 2.2b. Aquest permet replicar un escaló, d’aproximadament 1 mm, en la peça inferior del dispositiu. La funció d’aquest escaló és permetre la introducció d’un paper d’absorció capaç d’absorbir el plasma escampat en el rebaix de 2µm per dur a terme l’anàlisi. Figura 2.2. a) Planta del motlle de la peça superior b) Planta del motlle de la peça inferior 10cm a) b) 10cm a) b) Canals Rebaix Via Via Escaló
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 19 La Figura 2.3 mostra una representació esquemàtica de la secció del dispositiu on es pot diferenciar el rebaix de 2 µm i el canal principal de 20 µm de profunditat. Aquesta diferència de profunditat permet una separació física entre el plasma i la resta de components sanguinis a causa de les diferents dimensions entre aquests. Si ens fixem en la Figura 2.2a i 2.2b, s’observen unes vies en forma de U al voltant dels canals. Aquestes vies es disposen de tal manera que en la peça superior estan enfonsades i en la inferior tenen relleu. La intenció d’aquestes vies és facilitar l’alineació i posterior unió entre les dues peces. A la Figura 2.4 es pot observar el perfil del dispositiu on es mostra les dues parts definides ja unides: Figura 2.3. Representació esquemàtica de la secció del dispositiu. Figura 2.4. Perfil del dispositiu amb les dues peces unides. 2µm 20µm Plasma Resta de components Peça superior Peça inferior Sang Paper d’absorció
Pág. 20 Memoria 2.2.2. Col·lector de suor El sector sanitari està en una contínua cerca de noves tecnologies que millorin l’eficiència i redueixin els costos associats al diagnòstic i tractament. No obstant, els reptes d’un futur pròxim fan del desenvolupament d’estratègies innovadores una obligació per evitar la saturació de la sanitat. Una possible solució en investigació és la telemedicina, on l’estat de la salut del pacient és monitorat remotament mitjançant sensors químics integrats en tecnologia wearable [3]. Aquesta tendència creixent pretén reduir les visites innecessàries i, alhora, proporcionar noves eines i informació als professionals sanitaris. En els últims anys, la suor s’ha establert com una alternativa no invasiva vàlida per l’anàlisi bioquímica [4] . Addicionalment, el 99% de la suor conté ions (sodi, clor, potassi...), metabòlits (glucosa, lactat, etanol ...) i petites quantitats de sucres, proteïnes i hormones. Per tant, la suor presenta un ampli ventall d’anàlits amb interès clínic. Els pocs dispositius comercials dedicats a la mesura de la suor que existeixen avui en dia, utilitzen elements externs per l’anàlisi [5]. Aquesta mena de dispositius d’ús actiu i complexos no són compatibles amb la monitoratge continua i remota, veure Figura 2.5. [6] [7] La majoria de treballs recents presenten alguna mena de canalització de la suor per obtenir mesures més robustes i controlades. Tot i això, s’observa que no existeix especial atenció amb l’escalabilitat. Per aquest fet, la intenció és la creació d’un dispositiu wearable per a la monitoratge de la suor i capaç de comercialitzar-se. Figura 2.5. Col·lectors de suor amb fonts externes a) Dispositiu recol·lector de suor b) Dispositiu d’anàlisis de suor. Adaptada de [6]. a) b)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 21 Actualment s’ha treballat amb el PDMS i la tècnica de soft lithography per a la creació del dispositiu. Com a avantatges del PDMS es troba el seu baix mòdul de Young que els fa molt compatibles amb la interacció amb la pell i la seva transparència [8]. Per altra banda, la tècnica de soft lithography no és escalable, limitant la seva aplicabilitat com a producte. Com a alternativa existeix una nova classe de polímers, els anomenats Soft Thermoplastic Elastòmer (sTPE). Aquest tipus de polímer satisfà les mancances dels termoplàstics i elastòmers, essent ideal per a la creació de dispositius microfluídics. Tenen la capacitat d’ adquirir un estat viscós a una certa temperatura i solidificar-se en disminuir-la. També presenten unes propietats elàstiques i òptiques excel·lents. Dins aquest grup de polímers s’ha escollit el Flexdym. El dispositiu resultant ha de ser capaç d’analitzar la suor recol·lectada. Centrant-se en la canalització, l’aproximació més simple consisteix a col·locar sensors en els canals per on la suor circularà de manera contínua a causa de la pressió exercida per les glàndules sudorípares [9]. Cal destacar, però, que aquest treball se centra en la part inicial del projecte, la recol·lecció i canalització de la suor través els canals, no en la creació i disseny dels sensors a integrar. El col·lector estarà format per dues làmines de Flexdym unides. Una de les làmines incorporarà una sèrie de canals prèviament dissenyats mentre que l’altra farà la funció de cobrir aquests canals. Aquests estaran units amb la pell mitjançant un adhesiu de doble cara. Un dibuix esquemàtic de la seva adaptació a la pell es mostra en la Figura 2.6: Figura 2.6. Esquema de l’adaptació del dispositiu a la pell. Làmina de Flexdym Làmina de Flexdym amb els canals Adhesiu de doble cara
Pág. 22 Memoria El disseny del circuit replicat en el Flexdym actualment no està decidit. Tot i així, existeixen unes quantes idees sobre els possibles candidats al disseny definitiu. Algunes idees actuals es mostren a la Figura 2.7: Figura 2.7. Possibles dissenys dels canals per la recol·lecció de suor a) Disseny de serpentina amb reservoris. b) Disseny d’espiral. C) Disseny amb reservoris. d) Disseny de serpentina. a) b) c) d) 3 mm 6 mm 6 mm 6 mm
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 23 Figura 3.1. Idea il·lustrativa de LOC. Adaptada de [16]. 3. Conceptes bàsics En els següents apartats es defineixen alguns conceptes d’interès. Un breu resum sobre la microfluídica, les tècniques i els materials més utilitzats per a la construcció de dispositius i l’equipament utilitzat en l’estudi es troba a continuació. 3.1. Que és la microfluídica? La microfluídica és l’estudi del comportament i la manipulació de líquids circulant per canals dissenyats de manera estratègica i de dimensions micromètriques. Els investigadors aprofiten els avantatges de treballar en aquesta escala on predomina el flux laminar, més fàcilment predictible que el règim turbulent, dominant a escala macroscòpica. En els últims anys, la microfluídica ha emergit com a nova tecnologia digna d’estudi gràcies a la gran aplicació en els camps de la química analítica [10], biologia molecular [11], separació de cèl·lules [12], generació d’energia [13], etc. A mesura que aquests camps han anat evolucionant, han anat sorgint molts mètodes per a la creació de canals de diferents mides en materials variats, fent possible multitud d’aplicacions. La implementació dels coneguts aparells Lab-on-Chip (LOC) és una gran motivació pels investigadors. Aquests són microsistemes que gràcies a la integració de canals microfluídics i components actius o passius, com per exemple vàlvules, filtres i molts més, són capaços d’integrar tots els processos que es realitzen en un laboratori, en un sol xip. El gran avantatge d’aquests dispositius és l’eficiència gràcies a la possibilitat de manipular petits volums de fluids i així reduint la mostra mínima necessària, aconseguint que siguin menys invasius i més viables. A més a més, també es destaca la reducció d’utilització de reactius amb impacte en el medi ambient i la capacitat d’automatitzar els processos de mesura [14]. Un exemple de LOC podria ser un dispositiu microfluídic capaç de detectar i aïllar una cèl·lula determinada, com per exemple una cèl·lula cancerosa fent-la fluorescent utilitzant anticossos amb un alt rendiment [15].[16]
Pág. 24 Memoria 3.2. Tècniques de fabricació Al llarg de la història, s’han utilitzat diverses tècniques per a la creació de dispositius microfluídics. Aquestes han anat evolucionant al llarg dels anys pels avanços tecnològics i la necessitat d’aconseguir una fabricació escalable dels dispositius. A principis dels anys 50 es va inventar la fotolitografia, un procés utilitzat per a la fabricació de dispositius semiconductors i circuits integrats a partir d’una fotomàscara i de la incidència de llum a una superfície fotoresistent [17]. Aquest fet, juntament amb l’expansió de la utilització del silici pel camp de l’electrònica, va comportar la realització dels primers estudis relacionats amb la microfluídica. En un inici es treballava amb materials com el vidre i el silici, per exemple, als anys 70 es van utilitzar per a la creació d’un cromatògraf de gasos miniaturitzat [18]. Tot i això, l’alt cost d’aquests i altres propietats com la baixa permeabilitat als gasos, fet que comporta problemes en el camp de la biologia, va obligar els científics a descobrir nous materials. No va ser fins als anys 90, on Whitesides va introduir el PDMS per al prototipatge de dispositius microfluídics i utilitzant la fotolitografia va introduir el concepte de la tècnica de fabricació per soft lithography [19]. - Soft lithography Aquesta tècnica es basa en la utilització de la fotolitografia per generar motlles fotoresistents a partir de màscares, on s’hi aboca i es cura un polímer en estat líquid com el PDMS, per durhi a terme la replicació. Normalment s’utilitza la resina SU-8 com a material fotoresistent negatiu per a la realització del motlle, ja que té propietats adients, com per exemple, una resolució elevada, durabilitat i la capacitat per obtenir una gran relació d’aspecte alçada i amplada [20]. Amb aquesta tècnica es poden aconseguir canals de dimensions de micròmetres o fins i tot nanòmetres. Tot i això, per obtenir bons resultats és necessari un ambient estèril per a la fabricació del motlle [21]. Normalment, en la realització d’aquesta tècnica, el principal problema és la possible deformació dels canals del motlle en el desemmotllatge, fet que es pot evitar amb un disseny adequat. La soft lithography és un procés difícil d’industrialitzar i poc escalable. És per això que després d’aquesta tècnica en sortiren moltes més amb grans avantatges. Algunes més orientades a la fabricació com la laminació, la injecció per motlle i el hot embossing i d’altres a la recerca, com
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 25 la impressió 3D. Un exemple del procés de soft lithography es mostra en la Figura 3.2:[22] - Laminació En aquesta tècnica, els dispositius es creen a partir de diverses capes independents, les quals s’uneixen totes juntes formant els canals. A cada capa se li talla normalment amb làser el circuit i seguidament és tapat per una capa inferior i una capa superior. L’altura del dispositiu microfluídic es determina a partir del nombre de capes utilitzades i el gruix d’aquestes. El dispositiu més senzill seria aquell format per 3 capes, la inferior, la superior i la capa del mig on hi hauria tallat el disseny del circuit microfluídic. En la laminació s’utilitza un ampli rang de materials. Els més usats actualment, gràcies a les seves propietats òptiques i baix cost, són el Policarbonat, el Polimetil metacrilat, el COC i el vidre [23]. Habitualment les capes s’uneixen mitjançant adhesius, ja que aquests són inherentment capaços d’unir les capes del dispositiu tot i que poden portar problemes en l’absorció química. Un altre mètode d’unió comú és la unió tèrmica, la qual es detallarà amb més precisió més endavant. Aquesta tècnica a diferència de l’adhesiu, és menys utilitzada, ja que té una limitació més gran de materials i, a part, per culpa de l’escalfament i refredament de les diferents capes, és probable que es produeixin defectes en el material com una deformació no desitjada [24]. Les dues formes de tall més utilitzades són el tall amb làser, normalment amb CO2, o utilitzant Figura 3.2. Etapes en la tècnica de fabricació soft lithography. Adaptada de [22].
Pág. 32 Memoria de 54 Kg aproximadament i pot arribar a subministrar una potència de 1400W. El rang de temperatures que les plaques va de 0 a 200ºC i la màxima pressió que pot exercir és de 100 MPa. A partir d’un nivell es comprova la plenitud i paral·lelisme entre les plaques inferior i superior i de la taula on es troba la premsa. La taula es troba perfectament paral·lela al terra, la placa inferior té un desnivell de 0,1º i la placa superior de 0,2º. Es considera negligible l’efecte d’aquests desnivells. També s’analitza la precisió de les temperatures de la placa superior i de la placa inferior que marquen les pantalles. Aquesta anàlisi es fa mitjançant una sonda de temperatura. A més a més, es realitza un estudi de la disminució de la temperatura de les plaques respecte al temps, calculant la mitjana de la temperatura de la placa superior i la de la placa inferior durant una hora amb un interval de dos minuts, veure Figura 3.7a. Es creu que serà necessari amb la finalitat d’observar la rapidesa del refredament. - Microscopi òptic El microscopi òptic del laboratori observat en la Figura 3.8 s’utilitza bàsicament per a la realització de les mesures d’amplada dels canals. El microscopi consta d’un sistema òptic Optem Zoom 125 que proporciona un zoom de visualització d’una ràtio 12.5:1 amb una resolució d’imatge de 300 lp/mm. També incorpora un il·luminador Fiber-Lite PL-900 per tal d’il·luminar la mostra analitzada. La il·luminació es pot regular a través d’una rodeta Figura 3.7. a) Gràfic de la disminució de temperatura de les plaques b) Premsa tèrmica del laboratori. a) b)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 33 Figura 3.8. Microscopi òptic del laboratori. incorporada a l’aparell. El microscopi es connecta via USB a l’ordinador del laboratori per tal de visualitzar la mostra a la pantalla a partir del software IS Capture. Les mesures es duen a terme mitjançant el software ImageJ, el qual a partir d’una imatge capturada en el microscopi pot establir una escala píxels/mm introduïda manualment i així dur a terme les mesures. Per a la introducció de l’escala manual s’utilitza un patró de dimensions micromètriques mostrat en la Figura 3.9: - Perfilòmetre El perfilòmetre de la Figura 3.10a és el Profilm3D de l’empresa Filmetrics. Aquest aparell s’utilitza per a la mesura de les profunditats dels canals. El perfilòmetre és òptic sense contacte. Consta d’un objectiu capaç de mesurar perfils superficials i rugositats de fins a 0,05µm. Aquesta eina es basa en la realització d’un escaneig de la superfície a partir del rebot de la llum incidida a les diferents superfícies escanejades Figura 3.9. Patró de dimensions micromètriques observat amb el microscòpic òptic. 100 µm
Pág. 34 Memoria [37]. Quan l’aparell realitza l’escaneig, detecta aquells punts que es troben en el mateix pla reproduint-los a la pantalla obtenint finalment el perfil estudiat [37]. Aquest fet evita que es detectin punts en les zones amb corbes pronunciades. Per a la seva utilització, l’aparell es connecta a l’ordinador i a partir del software de la mateixa empresa es realitza l’escaneig a partir d’uns paràmetres determinats per l’usuari. El perfilòmetre és molt sensible a les vibracions que es puguin produir a l’ambient. Per aquest fet, se situa sobre un suport anti-vibracions de la marca Filmetrics. A diferència del microscopi òptic, el mateix software quantifica la profunditat a partir de certes opcions disponibles en el programa. La Figura 3.10b mostra un exemple del software esmentat. - Netejador d’ultrasons El netejador d’ultrasons del laboratori de la marca P-Selecta observat a la Figura 3.11, s’utilitza per a dur a terme una neteja eficient dels substrats abans d’unir-los. El seu funcionament es basa en la reproducció d’ultrasons a unes freqüències d’entre 20 i 40 kHz. Els ultrasons realitzats per l’aparell provoquen un agitament del fluid i, conseqüentment, una neteja més eficient de l’objecte introduït [38]. La utilització de l’aparell és molt senzilla. Primerament s’omple el netejador amb aigua ionitzada per evitar danyar-lo i, posteriorment, s’introdueix el substrat. Aquest substrat ha estat Figura 3.10. a) Perfilòmetre del laboratori. b) Software Profilm. a) b)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pàg. 35 introduït prèviament en una proveta que conté aigua ionitzada o algun solvent capaç de millorar l’efecte dels ultrasons dins el netejador. L’aparell conté un temporitzador capaç de regular el temps d’utilització de 0 a 15 minuts. - Sistema de O2 plasma El laboratori consta d’un sistema d’activació per O2 plasma Colibri Multipurpose Plasma System de la marca Gambetti observat a la Figura 3.12. L’activació per plasma es duu a terme en els substrats per realitzar una neteja posterior a la d’ultrasons i una activació de la seva superfície. L’energia superficial dels polímers és relativament baixa. Realitzant una activació per plasma, l’energia superficial s’incrementa. El plasma normalment conté electrons, ions i molècules neutrals i radicals que interactuen fortament amb la superfície del polímer aconseguint canvis químics en aquesta [39]. Aquests canvis provoquen una hidrofilització de la superfície i un augment de les capacitats d’unió. La utilització de l’aparell no és complicada. Un cop introduït el substrat dins la cambra de plasma, l’aparell realitza el buit a partir de la connexió amb una bomba de buit. Un cop la pressió de la cambra és d’uns 0,3 mil·libars, s’activa el plasma i s’introdueix un gas durant uns segons a través d’una rodeta manual. Per a la realització del procés l’usuari pot establir certs paràmetres, com per exemple la duració del plasma o la potència en què aquest es transmet. Figura 3.11. Netejador d’ultrasons del laboratori.
Pág. 36 Memoria - Sistema de pressurització ELVEFLOW L’aparell ELVEFLOW del laboratori s’utilitza per a la comprovació de la qualitat de la unió realitzada, és a dir, si el dispositiu pateix fugues en la introducció d’un fluid. Bàsicament l’aparell permet realitzar la introducció d’un líquid a través dels canals microfluídics del dispositiu a una pressió controlada. El mecanisme de l’aparell es basa en una diferència de pressions exercida entre la sortida i l’entrada del tub que transporta el líquid, provocant el moviment d’un cert cabal [40]. Les pressions es poden regular de 0 a 2 bars. En el cas d’aquest treball el líquid utilitzat és aigua destil·lada amb colorant. A partir d’un software establert pel fabricant, l’usuari és capaç de modificar la pressió en la qual s’introdueix el fluid en qualsevol moment. Més endavant es detalla el muntatge de les connexions per a la realització de les proves i els resultats obtinguts. Figura 3.12. Sistema d’activació per O2 Plasma del laboratori. Figura 3.13. Esquema de funcionament del sistema de pressurització ELVEFLOW del laboratori. Adaptada de [40].
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 37 4. Hot embossing 4.1. Estat de l’art El procés de hot embossing per a la fabricació de canals microfluídics és un dels mètodes més utilitzats avui dia. A causa dels recursos dels quals es disposa al laboratori i els avantatges que aporta aquest mètode, aquest estudi es dedicarà a establir un protocol per a l’obtenció de peces microfluídiques amb dimensions característiques diverses (des de poques micres a centenars de micres) mitjançant aquest procés i, conseqüentment, aconseguir uns dispositius microfluídics de qualitat. Comparat amb els mètodes mencionats anteriorment, el HE té grans avantatges sobretot en l’àmbit de la fabricació en sèrie de peces micromètriques. Al contrari que la injecció per motlle, on es necessita una gran inversió inicial, o la soft lithography, que implica un procés de fabricació llarg, aquesta tècnica aporta uns grans avantatges esmentades en els següents punts: - Necessitat d’una inversió inicial relativament baixa. - Fàcil utilització. - Procés ràpid. - Un protocol adequat aconsegueix una gran precisió en la replicació dels canals. Tot i aquests avantatges, és una tècnica que presenta una certa variabilitat depenent del substrat on es repliquen els canals i el motlle utilitzat. Existeix un gran nombre de treballs en literatura especificant uns certs paràmetres de fabricació, tot i així, aquests s’han d’adaptar a les condicions particulars de cada experiment. Aquest fet comporta a realitzar un procés d’adaptació a les condicions del nostre laboratori. Actualment existeixen dos tipus de HE depenent de la màquina utilitzada. El HE convencional i el “Roller to roller HE” [41] : - El HE convencional, mostrat en la Figura 4.1a, consisteix en la utilització d’una premsa tèrmica on tant la placa superior com l’inferior es poden escalfar mitjançant resistències elèctriques. El motlle s’enganxa a la placa superior i el substrat se situa a la placa inferior. Seguidament, el substrat és escalfat per sobre la seva Tg i la placa superior realitza una pressió mantinguda durant un cert període de temps. A continuació, s’aplica una disminució de la temperatura de les plaques i, posteriorment, la pressió és realçada. Finalment es duu a terme el desemmotllatge aconseguint una replicació dels canals del motlle en el substrat.
Pàg. 38 Memòria - El “Roller to roller HE”, mostrat en la Figura 4.1b, a diferència del HE convencional, es duu a terme a partir de dos corrons. Un dels corrons conté imprès un patró, és a dir, fa la funció de motlle i l’altre fa la funció de suport. El corró que conté el patró s’escalfa a una temperatura superior a la de transició vítria del polímer seleccionat i, seguidament, una làmina polimèrica és introduïda entremig dels corrons rebent una certa pressió. Conseqüentment s’obté una replicació del patró. Aquest tipus de HE no s’utilitza tan degut a la dificultat que comporta la fabricació del motlle en el corró, però ofereix un major processament comparat a la tècnica convencional. Els polímers termoplàstics són els més utilitzats en aquesta tècnica. A la Taula 4.1 diferents polímers i motlles es mostren on s’hi ha dut a terme el procés de HE amb l’obtenció de bons resultats: SUBSTRAT MOTLLE REFERÈNCIA Polimetil metacrilat Alumini [42] Cyclic olefin copolymer Silici [43] Polipropilè Coure al beril·li [44] Policarbonat Acer inoxidable [45] Taula 4.1. Diferents combinacions motlle-substrat en el procés de HE. L’objectiu d’aquesta tècnica és aconseguir una replicació del motlle el màxim acurada possible sobre el substrat. Aquesta replicació pot dependre de diferents paràmetres, tot i això, els més importants en el procés de HE són la temperatura i la pressió exercides per les plaques, el temps que es manté aplicant pressió a la mateixa temperatura i el temps de refredament del substrat [17]. Els nivells d’aquests paràmetres estan correlacionats amb el material i motlles Figura 4.1. Tipus de HE a) HE convencional. B) “Roller to roller” HE. Adaptada de [41].
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 39 utilitzats, fet que dificulta l’obtenció d’un protocol clar pel procés. No obstant, alguns estudis han demostrat com aquests factors afecten el polímer i a una bona replicació de la secció dels canals. S’analitzen 3 característiques per tal de comprovar-ne la qualitat. Aquestes són la profunditat i amplada dels canals i que la secció d’aquests sigui el màxim rectangular possible tal com es pot observar a la Figura 4.2b: Quan el polímer supera la seva Tg, aquest es deforma fàcilment, ja que es comporta com un fluid viscoelàstic. Seguidament, gràcies a aquest estat, és capaç d’adaptar-se al patró del motlle omplint completament les seves cavitats. Bàsicament, per aconseguir els paràmetres adequats, diferents estudis es concentren en l’anàlisi del comportament del flux del polímer [46]. Segons Li et al. [46], la temperatura i la pressió escollida i les característiques del motlle determinen una profunditat acurada dels canals. Es recomana que la temperatura escollida sigui 10-30ºC superior a la de Tg del substrat [47]. Per altra banda, una pressió insuficient o una temperatura relativament baixa pot comportar a una mala replicació tant de la profunditat com de la secció. Un temps ideal d’aplicació de pressió i un refredament adequat determinen unes amplades i seccions de bona qualitat, ja que permeten que el polímer en estat viscós ompli les cavitats del motlle. El temps de refredament, ha de ser suficientment llarg per a aconseguir que el polímer completi la seva solidificació per sota la Tg del substrat i així evitar la deformació d’aquest en realçar la pressió [46]. A la següent Figura 4.3 s’observa més detalladament aquest comportament. Figura 4.2. Imatges SEM on es mostra la secció del canal. a) Mala replicació. b) Bona replicació. Adaptada de [47]. a) b)
Pàg. 40 Memòria L’obtenció d’una replicació totalment perfecta amb les eines utilitzades al laboratori és pràcticament impossible. Molts estudis afirmen que el procés pot provocar una superfície del substrat rugosa i que l’obtenció de cantonades de 90º és pràcticament inviable. Tot i això, Ziyara et al. [48] proposa diverses solucions per eliminar aquests problemes. Per exemple, la realització del HE amb la combinació d’ultrasons on el motlle vibra mentre s’aplica la pressió. A més a més, amb la introducció d’ultrasons, és possible reduir la temperatura del procés i de tal manera millorar la qualitat de la superfície. Una altra solució recomanada per Ziyara et al. [48] podria ser la introducció de nanopartícules entre el motlle i el substrat abans del procés. 4.2. Termoplàstics: PMMA En aquest apartat es mostra la part experimental realitzada per a l’estudi del procés de HE en el laboratori amb la utilització del PMMA. Primerament es realitza un estudi preliminar on s’exposa la metodologia emparada, es descriu el procés dut a terme al laboratori i el motlle utilitzat. A continuació s’obtenen uns resultats i s’arriba a unes conclusions a tenir en compte per dur a terme el procés. Finalment s’adapten els coneixements obtinguts en l’estudi preliminar per tal de poder dur a terme la fabricació de l’iBLOOD. Figura 4.3. Comportament del polímer en el procés de HE a) Aplicació de pressió en el substrat. b) Circulació del polímer en estat viscós. c) Manteniment de la pressió per l’ompliment de les cavitats. d) Ompliment i replicació finalitzada. Adaptada de [47]. a) b) c) d)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 41 4.2.1. Estudi preliminar 4.2.1.1. Metodologia Per a l’estudi del procés, aquest s’ha dividit en 4 etapes diferenciades, descrites a continuació, i referenciades als recursos del laboratori: Etapa d’escalfament, etapa de pressió, etapa de refredament amb pressió i l’etapa de desemmotllatge. - Etapa d’escalfament: En aquesta etapa es realitza l’escalfament tant de la placa superior com de la placa inferior de la premsa tèrmica. Aquest escalfament de les plaques es determina a través de dues pantalles, veure Figura 4.4, on es configura la temperatura de la placa inferior i de la placa superior. Aquestes són escalfades mitjançant resistències elèctriques. - Etapa de pressió: Un cop escalfades les plaques i introduït el motlle i el substrat enmig, es realitza el pas d’aplicar pressió. Mitjançant el moviment manual d’una palanca integrada a la premsa s’aconsegueix el moviment de la placa superior. Un cop aquesta realitza contacte amb el substrat, es continua realitzant el moviment de la palanca per tal d’anar augmentant la pressió. Es pot observar a través d’un manòmetre la quantitat de pressió que s’està aplicant al substrat amb una escala de MPa. Es manté la pressió durant un determinat temps, el qual a partir d’ara s’anomenarà Holding Time (HT). La premsa té una escala de pressions de 0 a 100 MPa, fet que dificulta la modelització de les pressions baixes. Per regular-les s'utiliza el procés descrit en la Figura 4.5, on cada moviment significa un increment d'aproximadament 1,5 MPa. Figura 4.4. Pantalles incorporades a la premsa tèrmica.
Pàg. 48 Memòria per a la realització del procés. En l’experiment 8 s’ha intentat el CT sense aplicació de pressió provocant una deformació excessiva del substrat i, conseqüentment s’ha descartat aquesta modificació. En l’experiment 9 i 10 centrant-se en l’optimització, s’ha escollit un CT de 5 minuts provocant una disminució de la temperatura de les plaques fins a 110ºC. Aquest fet ha també ha provocat una deformació en el substrat. Per aquest motiu, no s’han dut a terme les mesures dels experiments 8, 9 i 10, ja que la deformació no ha permès la utilització del perfilòmetre i a part, no es podria aconseguir un dispositiu funcional. Finalment, aquests procediments han permès arribar a unes certes conclusions del comportament del PMMA quan s’hi realitza el procés de HE amb un motlle d’Alumini. Aquestes conclusions es destaquen en els següents punts: - No hi ha problemes d’adherència del PMMA amb el motlle d’alumini ni amb la premsa en el desemmotllament. - És necessari que el PMMA arribi i superi amb un cert marge la seva temperatura de transició vítria. La temperatura de 135ºC es considera òptima per tal que el canal tingui una bona qualitat i el temps d’escalfament de la premsa no sigui molt alt. Una temperatura inferior a la mencionada pot comportar a una mala replicació. - La pressió ha de ser prou gran per tal que la profunditat dels canals sigui correcte. Amb el motlle d’alumini i un PMMA suficientment gruixut es pot sobredimensionar aquesta pressió com s’ha fet a 10 MPa sense danyar-los. - És necessari dur a terme el CT mantenint la pressió perquè no es produeixi una deformació no desitjada del PMMA. - S’ha modelitzat el CT amb minuts, però realment el paràmetre clau és la temperatura per tal que el PMMA se solidifiqui i mantingui la forma. S’ha observat que 10ºC inferior a la Tg del PMMA és adequat per obtenir bons resultats. - El HT i el CT tal com s’ha comentat en l’estat de l’art, tenen a veure amb una bona replicació de la secció del canal. Amb un HT de 4<HT<8 minuts i un CT>=10 minuts l’arrodoniment de la secció dels canals és acceptable. Per tant, 4 minuts de HT i 10 minuts de CT són suficients per a una bona replicació dels canals. - El HE de PMMA amb motlle d’alumini és un procés que és viable al nostre laboratori i ens dóna unes directrius clares per a la fabricació de dispositius funcionals concrets o, fins i tot, dispositius de materials termoplàstics alternatius.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 49 4.2.2. Estudi iBLOOD Una vegada realitzat l’estudi preliminar i vist que és possible dur a terme el procés del HE amb PMMA amb els recursos del laboratori, es decideix aplicar el protocol que ha obtingut millors resultats per a la fabricació de l’iBLOOD. Per dur a terme aquest procés, primerament s’han tallat a làser les dues peces que posteriorment s’hauran de mecanitzar. Les dues peces són les següents de la Figura 4.11: Els paràmetres inicials provats es basen en l’estudi preliminar realitzat: TEMPERATURA (ºC) PRESSIÓ (MPa) HOLDING TIME (min) COOLING TIME (min) 135 10 4 10 Taula 4.3. Nivells dels paràmetres del protocol acceptat en l’estudi preliminar. Aplicat el protocol en l’iBLOOD, s’observen una sèrie d’errors que provoquen que s’hagin de dur a terme uns canvis en el disseny de les peces de PMMA i en els diferents paràmetres del procés. Centrant-se en el disseny de les peces, s’ha hagut de modificar en la peça inferior. El motlle conté una via en forma de U en els laterals. Aquesta via provoca que la superfície que ha de mantenir contacte amb els canals al moment de realitzar la unió, s’arrodoneixi quan es duu a terme el procés de HE. Per aquest fet, es decideix canviar el disseny, disminuint l’àrea de la peça inferior del dispositiu, i així evitar aquest contacte amb els relleus obtenint la peça de la Figura 4.12b: a) b) Figura 4.11. Peces de PMMA tallades amb làser de CO2 per a la construcció de l’iBLOOD. a) Peça superior. b) Peça inferior.
Pàg. 50 Memòria Actualitzat el disseny, el principal problema recau en la deformació longitudinal i transversal que pateix el PMMA a l’aplicar una pressió de 10MPa. Aquesta deformació no afecta la funcionalitat del dispositiu, però suposa un problema en el desemmotllament a causa de la naturalesa dels motlles. Com ja s’ha comentat, tot i que no han estat dissenyats per dur a terme el procés de HE, aquests s’han reutilitzat. El patró a replicar està enfonsat respecte de la superfície exterior del motlle, fet que comporta que la deformació esmentada provoqui un xoc amb les parets i conseqüentment un complicat desemmotllament. Per aquest fet, es decideix reduir dràsticament la pressió. En l’estudi preliminar, la profunditat dels canals del motlle utilitzat era de 500 µm aproximadament, per contra, la profunditat dels canals del dispositiu funcional iBLOOD és de 20 µm. Així, s’arriba a la hipòtesi que disminuint la pressió es podria aconseguir evitar les dificultats de desemmotllament tot mantenint les profunditats dels canals desitjades. Per a l’obtenció d’una pressió òptima es realitzen diversos assajos que inclouen la realització progressiva de moviments (modelitzats en l’apartat 4.2.1.1) després del contacte amb la superfície. Pel que fa a la peça superior del dispositiu, un sol moviment és suficient per replicar els canals de 20µm obtenint el següent protocol definitiu: Figura 4.12. a) Primer disseny de la peça inferior. b) Disseny modificat de la peça inferior. a) b)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 51 TEMPERATURA (ºC) PRESSIÓ (MPa) HOLDING TIME (min) COOLING TIME (min) 135 1,5 ≈ 1 Moviment 4 10 Taula 4.4. Protocol definitiu per a la fabricació de la peça superior. Contràriament, s’estudia la peça inferior. Ja que la profunditat requerida és major, s’observa la necessitat d’aplicar una pressió més elevada per tal de replicar l’escaló, d’aproximadament 1 mm, on s’introduirà el paper d’absorció. Es conclou que dos moviments després del contacte són necessaris per a la seva replicació obtenint el següent protocol: TEMPERATURA (ºC) PRESSIÓ (MPa) HOLDING TIME (min) COOLING TIME (min) 135 3 ≈ 2 Moviments 4 10 Taula 4.5. Protocol definitiu per a la fabricació de la peça inferior. Finalment, un cop solucionats els problemes esmentats, s’han realitzat 5 rèpliques del dispositiu per tal de validar-ne els paràmetres dels protocols obtinguts. S’han analitzat 3 zones diferents, tal com s’observa a la Figura 4.13, i dins de cada zona establerta s’han dut a terme dues mesures, representades en la Figura 4.13abc. En el procediment, s’han mesurat tant el substrat com el motlle en cada experiment. Figura 4.13. Imatges de les diferents zones capturades amb el microscopi òptic. a) Zona de mesura 1. b) Zona de mesura 2. c) Zona de mesura 3
Pàg. 52 Memòria S’han obtingut totes les mesures i s’ha comparat la mitjana de les 5 rèpliques en cada zona del substrat amb la zona corresponent al motlle. A partir de les dades obtingudes, per tal d’observar la variabilitat, s’ha calculat l’interval de confiança del 95% mitjançant les desviacions estàndard individuals. S’ha realitzat el gràfic de les dades de les 5 rèpliques per a cada zona obtenint-se les següents mesures de profunditat i amplada representades en la Figura 4.14ab: Figura 4.14. a) Gràfic de les amplades dels canals en les diferents zones. b) Gràfic de les profunditats dels canals en les diferents zones. En els gràfics realitzats es pot observar de manera clara sense la necessitat d’una anàlisi estadística que és possible la validació del procés. Les mesures de les dimensions mitjanes dels canals són molt semblants en el motlle i substrat. Els intervals de confiança del 95% calculats a partir de les desviacions estàndard individuals són del mateix ordre, per tan negligim la possible variació en la replicació per davant la pròpia variabilitat del motlle i l’error de mesura produït per l’usuari i instrument. 4.3. sTPE: Flexdym De la mateixa manera que en el PMMA i el motlle d’alumini, per tal d’analitzar el procés de HE i observar que aquest sigui viable, es realitzen una sèrie d’experiments. Aquests, es basen en la utilització de motlles de diferents característiques per tal d’observar el comportament del Flexdym en aquest procés i extreure’n conclusions per a la creació del col·lector de suor. b)a)
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 53 4.3.1. Estudi preliminar - Fabricació del motlle: A diferència del PMMA, tal com exposa el protocol de Yu et al. [39] s’utilitzen uns motlles no monolítics fabricats per litografia mitjançant la resina SU-8 per a la replicació dels canals en el Flexdym en comptes d’un motlle d’alumini. El procés es divideix en 8 passos diferents esmentats en els següents punts: o Neteja del vidre d’on es diposita la resina mitjançant una neteja piranya. o Activació per plasma de la superfície del vidre. o Aplicació de la resina a la superfície del vidre: Barrejar la resina SU-8 en el seu envàs. Dipositar la resina en el vidre, evitant la producció de bombolles. Dipositar el vidre amb la resina a la màquina de rotació a una velocitat de 900 rpm durant 40 segons per un repartiment uniforme de la resina i aconseguir una altura dels canals de 100 µm. Deixar relaxar durant 1 hora. Netejar les restes de SU-8 que hagin pogut quedar en la superfície inferior del vidre. o Preescalfament: 15 minuts a 65ºC sobre un hot plate. 2 hores a 95ºC sobre el mateix hot plate. o Exposició: Posar la màscara fotoresistent sobre la resina del vidre, la part opaca en contacte amb l’SU-8. Activar la màquina de rajos UV durant 8 segons d’exposició. o Post-escalfament: 15 minuts a 65ºC en el hot plate. 40 minuts a 95ºC en el mateix hot plate. o Desenvolupament: Submergir el motlle en PGMEA ( propylene glycol methyl ether acetate) durant 10 minuts.
Pàg. 54 Memòria Esbandir el motlle amb isopropanol. o Hard-Bake: 2 hores a 135ºC en el hot plate. A la següent Figura 4.15 es mostra un exemple del motlle fabricat: 4.3.1.1. Metodologia En aquest estudi preliminar de la utilització del Flexdym, el procés de HE s’ha realitzat seguint les mateixes etapes descrites en l’apartat 4.2.1.1. Els diferents motlles han estat fabricats seguint les mateixes condicions. Aquests estan formats per canals d’amplada constant i estretaments successius d’amplada decreixent. Un esquema per una millor comprensió dels motlles es mostra a la següent Figura 4.16: Figura 4.16. Representació esquemàtica dels canals dels motlles utilitzats. A continuació s’exposen els diversos motlles utilitzats amb les respectives característiques: 1Els estretaments són constants de 50 µm i l’angle de sortida va variant de 15 a 120º. L’amplada dels canals es manté constant a 200 µm. Vidre Resina SU-8 Figura 4.15. Motlle fabricat de resina SU-8.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 55 Figura 4.17. Imatge del microscopi òptic del motlle 1. 2L’angle de sortida dels estretaments és sempre de 120º i les amplades d’aquest van variant de 100 a 30 micròmetres. L’amplada dels canals es manté constant a 200 µm. 3L’angle de sortida del estretaments és sempre de 90º i les amplades d’aquests va variant de 100 a 30 micròmetres. L’amplada dels canals es manté constant a 200 µm Figura 4.18. Imatge del microscopi òptic del motlle 2. Figura 4.19. Imatge del microscopi òptic del motlle 3.
Pàg. 56 Memòria 4L’angle de sortida dels estretaments és sempre de 60º i l’amplada d’aquests va variant de 100 a 30 micròmetres. L’amplada dels canals es manté constant a 200 µm. Per dur a terme l’anàlisi, el valor dels paràmetres s’ha modificat seguint el protocol Lachaux et al. [53] mostrats a la Taula 4.6: TEMPERATURA (ºC) PRESSIÓ (MPa) HOLDING TIME (min) COOLING TIME (min) 120 0,04 2 15 Taula 4.6. Nivells dels paràmetres del protocol escollits. El manòmetre de la premsa del laboratori mesura a una escala de MPa fet que comporta un problema a l’hora de modelitzar les pressions baixes. Per tant, referenciant a l’apartat 4.2.1.1, s’ha modelitzat la pressió de 0,04 MPa (molt baixa) realitzant un moviment de la palanca fins a la formació de 40º amb la l’horitzontal que equival aproximadament a 0,5 MPa de pressió. Per tal d’acomodar bé el Flexdym amb el motlle entremig de les plaques, s’ha realitzat una estructura de sandvitx utilitzant PDMS i dos teflons. El sandvitx es munta en el següent ordre: - Làmina de tefló per la protecció de les plaques de la premsa. - Motlle de SU-8. - Flexdym. - PDMS per assegurar una pressió uniforme. - Làmina de tefló. Finalment el protocol realitzat ha estat el següent: - Escalfar les dues plaques de la premsa a 120ºC. - Netejar/assecar el material i silanitzar el motlle. Figura 4.20. Imatge del microscopi òptic del motlle 4.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 57 - Posar el motlle a la premsa i aplicar pressió molt suau durant 120 segons. - Posar a 0ºC les plaques i deixar refredar. - Deixar 15’ aplicant pressió i seguidament extreure-la. - Deixar refredar el Flexdym durant 5 minuts abans del desemmotllatge. - Desemmotllatge En aquest cas, a diferència del protocol seguit amb el PMMA i seguint les recomanacions de Eden Tech [34], s’ha decidit silanitzar el motlle mitjançant clorotrimetilsilà per facilitar el desemmotllatge. La silanització consisteix en la formació d’una monocapa de silà a la superfície del substrat evitant la unió del material a emmotllar. El silà reacciona amb els grups funcionals del vidre (-OH) i exposa un grup funcional, en aquest cas un clor, el qual és inert al Flexdym. Es realitza amb els següents passos: - Netejar el motlle amb delicadesa. - Posar el motlle cap per munt sobre la càpsula petri i posar-lo sota la campana. - A partir d’un comptagotes, extreure una mica de clorotrimetilsilà, escampar unes quantes gotes al voltant del motlle sense tocar-lo i tapar-lo amb una altra càpsula de petri. - Deixar 4/5 minuts tapat (Bany de vapor). - Destapar i deixar a l’aire 1 minut. - No deixar passar més de 15 minuts per a realitzar el procés HE després de silanitzar. Dut a terme el protocol escollit en els diferents motlles esmentats, s’ha realitzat un estudi estadístic t-Student parellada amb la intenció de comparar les amplades i profunditats dels canals en el motlle i el substrat. Aquest estudi consisteix en analitzar la mitjana (µ) de les diferències de mesures de profunditat i amplada del canal i estretaments del motlle amb la mateixa mesura en el substrat on s’han replicat els canals. A partir d’aquí, observar a través del p-valor si és possible acceptar la hipòtesi nul·la o no. Si el p-valor és inferior al nivell de significança alfa 0,05, es descarta la hipòtesi nul·la. Si és més gran, no es pot descartar i per tant no es pot confirmar si la diferència és significativa. Tot i així s’ha realitzat una prova de potència mitjançant MINITAB per tal de considerar l’acceptació de la hipòtesis alternativa. La hipòtesi nul·la i alternativa en el cas de les amplades són les següents: Hipòtesi nul·la: µ de (amplades del motlle − amplades rèpliques) = 0 Hipòtesi alternativa: µ de (amplades del motlle − amplades rèpliques) ≠ 0
Pàg. 64 Memòria Figura 4.26. a) Gràfic de les amplades dels canals en les diferents zones b) Gràfic de les profunditats dels canals en les diferents zones. a) b) S’han obtingut totes les mesures i s’ha comparat la mitjana de les 4 rèpliques en cada zona del substrat amb la zona corresponent al motlle i també s’ha observat l’interval de confiança del 95% calculat a partir de les desviacions estàndard individuals en les dades obtingues. Finalment s’han obtingut les següents mesures de mostrades en la Figura 4.26ab: Observant els gràfics, es pot acceptar qualitativament el procés. Tot i que sembla que la variabilitat en les mesures és superior a la del PMMA, la mitjana de les amplades i profunditats dels canals replicats són molt semblants a les dels motlles. Per tant es pot concloure que el període de relaxació ha millorat els resultats. Els intervals de confiança del 95% calculats amb les desviacions estàndard individuals, tant en el motlle com en el substrat són del mateix ordre. Aquest fet ens permet assegurar que podem negligir la variabilitat deguda a la replicació per HE davant la pròpia variabilitat del motlle i el possible error instrumental. Figura 4.25. Diferents zones de mesura del col·lector de suor.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 65 5. Unió 5.1. Estat de l’art Un cop s’han replicat els canals en els substrats mitjançant la tècnica de HE, cal sellar els dispositius microfluídics per a realitzar alguna funcionalitat. Al llarg dels anys s’han creat i innovat moltes tècniques diferents depenent dels materials que es vulguin unir i les característiques de la unió que es vulguin obtenir. Per tal d’analitzar la qualitat de la unió, les dues característiques més importants a tenir en compte són l’àrea efectiva i la fortalesa de la unió: - Àrea efectiva de la unió: Aquesta àrea representa el percentatge de superfície en el qual la unió s’ha dut a terme correctament. En la majoria d’unions, aquesta característica bé determinada per a la realització d’una pressió suficient i uniforme a una temperatura adequada [7]. La següent Figura 5.1 mostra un exemple on una part d’un dispositiu no s’ha produït unió. - Fortalesa: La fortalesa de la unió pot ser tant física com fluídica. La fortalesa física ve determinada per la tensió que la unió és capaç de suportar sotmesa a una certa càrrega, es quantifica en MPa [54]. Pel que fa a la fortalesa fluídica, implica la capacitat del dispositiu de contenir el flux pels canals a una certa pressió sense la producció de fugues. Hi ha materials com els elastòmers (PDMS) o sTPE (Flexdym) que per les seves propietats elàstiques i adherents, normalment no comporten un gran problema per la realització de la unió. Per l’altra banda, els termoplàstics (PMMA), el vidre i el silici si aporten una dificultat afegida a causa de la seva rigidesa i capacitats no adhesives. En els següents punts es Figura 5.1. Representació de l’àrea efectiva d’unió. Adaptada de [7].
Pàg. 66 Memòria descriuen diferents tècniques utilitzades per a la unió d’aquests materials. - Unió anòdica La unió anòdica és un mètode utilitzat normalment per unir el silici amb el vidre [55]. El procés d’aquesta unió principalment es basa en l’escalfament progressiu entre 180ºC i 500ºC dels substrats en un hot plate i seguidament s’aplica una tensió entre 200 V i 1000 V entre ells. Sota aquestes condicions, els ions del vidre es mouen ràpidament cap al càtode provocant un camp elèctric capaç d’ajuntar les dues superfícies. Per contra, la fortalesa de la unió en aquest procés no és molt elevada. Aquesta tècnica requereix una superfície dels substrats molt neta per aquest motiu, cal treballar en sales blanques i unes temperatures molt elevades. Per aquest fet, no es duu a terme molt sovint i actualment és preferible treballar amb polímers [29]. - Thermal fusion bonding Aquest mètode es basa en l’escalfament de dos substrats i la seva unió aplicant una certa pressió durant un determinat període de temps. La temperatura i la pressió escollida per a la realització d’aquest mètode depèn fortament dels materials que es vulguin unir. El pes molecular dels polímers juga un paper fonamental en la força d’unió aconseguida entre els dos substrats utilitzant aquest mètode. El thermal fusion bonding, depèn de la temperatura de transició vítria dels substrats. Materials amb Tg considerablement diferents podrien produir una deformació important en els canals. - Solvent bonding El solvent bonding és un mètode d’unió simple i ràpid que aporta una gran força d’unió i una transparència òptica excel·lent [29]. Es basa en l’aplicació d’un solvent sobre el substrat que es vulgui utilitzar de cobriment, i unir-lo en el substrat on els canals s’han replicat. Per aconseguir uns bons resultats, és necessari dur a terme una bona elecció del solvent a utilitzar i escollir els paràmetres adequats del procés per evitar l’obstrucció dels canals. Gràcies a la dispersió de tot el solvent per la superfície, es pot arribar aconseguir un segellat totalment hermètic gràcies a la creació d’enllaços. Tot i així, aquesta tècnica requereix una àrea raonable d’aplicació i una bona ventilació mentre es realitza per aconseguir uns bons resultats. - Ultrasonic welding Aquest mètode es caracteritza per realitzar-se a baixa temperatura i aconseguir bons resultats
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 67 en un temps relativament petit [56]. Es realitza a temperatura ambient, aplicant ultrasons al dispositiu prèviament unit amb unes pinces. En el procés es desenvolupen enllaços molt estables sense la necessitat d’introduir impureses o distorsions tèrmiques als substrats. Tot i així, té un cost de bastant elevat, i no es pot utilitzar en superfícies grans (superiors a 75 cm2) [29]. - Modificació de la superfície El mètode d’unió de modificació de la superfície, és conegut com un mètode a baixa temperatura. Els termoplàstics generalment tenen una energia de superfície baixa que limita la força d’unió entre els substrats. Per evitar aquesta limitació, la formació d’interaccions electroestàtiques provoca un augment de l’energia superficial en el substrat, ja que produeix enllaços covalents forts a la seva interfície. En aquest mètode també es realitza l’aplicació d’una certa pressió per aconseguir uns resultats bons. Aquest mètode requereix l’aplicació d’una pressió elevada, fet podria produir distorsions en els canals [29]. A la següent Taula 5.1 es mostren els mètodes esmentats amb els substrats d’unió, els diferents paràmetres del procés i algunes aplicacions: MÈTODE MATERIALS PARÀMETRES DEL PROCÉS APLICACIONS REF Unió anòdica Vidre-Silici 400ºC, 100 V, 30 min 450ºC, 1250V Aplicació biològica Aplicació biològica [55] [57] Thermal fusion bonding PC-PC PC-PC PMMA-PMMA PMMA-PMMA PMMA-PMMA PMMA-PS 155ºC, 30 min 128ºC, 0.1MPa,30 min 97ºC, 0.6 MPa,15 min 95ºC, 2.5 MPa, 3 min 165ºC, 0.02 MPa, 30 min 125ºC, 0.51 MPa Capillary electrophoresis Detecció electroquímica Capillary electrophoresis ND Aplicació biològica ND [58] [59] [60] [61] [62] [63] Solvent bonding PMMA-PMMA Acetonitril, RT, 15 min 90% etanol, UV, 1 min 75% acetona, 40ºC, 20 min Isopropanol, 80ºC, 30 min, 0.26 MPa CE ND Cultiu cel·lular ND [64] [54] [65] [66]
Pàg. 68 Memòria Etanol, 70ºC, 3 min, 2 MPa 80% IPA, 20% DCM, 70ºC, 5 min ND ND [67] [68] Ultrasonic welding PMMA-PMMA PMMA-PMMA COC-COC 0.05 W/cm3 d’intensitat 30ºC, 30s 400N, 0.05 MPa ND ND ND [69] [70] [71] Modificació de la superfície PMMA-COC PMMA-PMMA PMMA-PMMA PMMA-PMMA UV/O3, 110ºC, 10 min, 4.8 MPa UV, 45ºC, 35 min 85ºC, 15 min, 3.44 MPa O2 plasma, 70ºC ND Ion enrichment-depletion Separació de proteïnes ND [72] [73] [74] [75] Taula 5.1. Diferents tècniques d’unió entre materials amb els seus paràmetres principals i aplicacions. 5.2. Experimental En aquest apartat es duu a terme un estudi sobre la realització de diferents tècniques d’unió esmentades a l’estat de l’art. Aquestes tècniques depenen dels substrats que es vulguin unir i dels recursos disponibles en el laboratori de recerca. Per culpa de la limitació de diferents recursos, algunes tècniques no són possibles de realitzar, per tant s’han escollit aquelles que s’han considerat més eficients i viables. Primerament s’han realitzat diferents mètodes d’unió en els substrats sense els canals replicats, per tal de comprovar aquells que realment són adequats. Seguidament, un cop descartades les opcions inviables, s’han dut a terme els mateixos procediments, però amb els canals fabricats i així poder observar la fortalesa de la unió i la possible producció de fugues mitjançant el sistema de pressurització ELVEFLOW. En la Figura 5.2 es pot observar el muntatge realitzat per a comprovar l’aparició de fugues mitjançant l’aparell ELVEFLOW anteriorment comentat.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 69 Tant en l’iBLOOD com en el col·lector de suor, la fortalesa de la unió física és una característica poc significativa pel fet que els dispositius no han de suportar grans esforços. Per aquest fet s’han acceptat els protocols que proporcionen una unió estable sense la necessitat de quantificar aquest paràmetre. 5.2.1. Estudi d’unió de PMMA-PMMA 5.2.1.1. Metodologia Primerament s’ha realitzat l’estudi de la unió de PMMA-PMMA. Amb els recursos que es tenen al laboratori s’han escollit 3 protocols. D’aquests protocols, un es tracta d’un thermal fusion bonding sense la utilització de cap solvent addicional i els altres dos són solvent bonding, un amb l’ajuda de la premsa i l’altre d’un forn. S’han descartat l’ultrasònic welding i el surface modification per la complexitat dels processos o la llarga duració que comporten. A part d’aquests 3 protocols seleccionats, també s’han dut a terme un quart i un cinquè sense èxit, en els quals no s’ha aconseguit una unió estable en el procés realitzat sense el substrat sense els canals replicats. Figura 5.2. Muntatge en el laboratori del sistema de pressurització ELVEFLOW. ELVEFLOW Reservori pressuritzat Connexions Dispositiu a testejar
Pàg. 70 Memòria En el quart protocol s’ha utilitzat etanol i radiació UV. Aquest procediment és interessant per la no necessitat d’aplicació de temperatura ni pressió, fet que disminueix la probabilitat de col·lapse dels canals. L’aplicació d’UV segons Tran et al. [54] hauria de ser d’una longitud d’ona de 234 nm. No obstant, la làmpada UV del laboratori no emet en aquesta longitud d’ona (mínima longitud d’ona de 300 nm), fent que l’energia rebuda pel substrat no sigui suficient per garantir la unió. En el cinquè s’ha utilitzat àcid acètic i una pressió mitjançant unes pinces per a la unió segons Trinh et al. [76]. És un protocol destacable per la rapidesa en què es realitza i la facilitat de manipular l’àcid acètic. Tot i així, un cop aplicat el solvent i realitzada la pressió durant un cert període de temps, no s’ha produït la unió esperada i s’ha descartat el procediment. L’estudi dels 3 protocols on s’ha produït una unió estable s’ha realitzat en un dispositiu format per 3 peces i construïts de tal manera que es pugui observar la producció de fugues en les diferents unions. El dispositiu està format per 3 substrats de PMMA units en una estructura de sandvitx. El substrat superior de 5 mm de gruix, se li han realitzat dos forats roscats per tal de poder fer un bon muntatge de les connexions i que no siguin motiu de fuga de les pressions que proporciona l’ELVEFLOW. Al substrat d’entremig de 500µm de gruix, se li han tallat els canals amb làser de CO2. El substrat inferior no se l’ha mecanitzat, pel fet que la seva única funció és la de cobrir el substrat intermedi. En la Figura 5.3ab s’observa el dispositiu utilitzat. Figura 5.3. a) Vista isomètrica del dispositiu per a l’estudi. B) Vista en planta del dispositiu per a l’estudi. a) b) Sortida Entrada Canal
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 71 Protocol 1: Fixant-nos amb el protocol de Zhu et al. [61], s’ha realitzat un procés d’unió tèrmica mitjançant pressió i temperatura amb la premsa sense l’ajuda d’un solvent. El protocol a seguir ha estat el següent: - Pretractament de les superfícies mitjançant una neteja d’ultrasons, un posterior assecament amb aire i una activació de la superfície dels substrats amb O2 plasma. - Preescalfament de la premsa a 95ºC. I introducció dels substrats entremig de les plaques mitjançant unes pinces. - Aplicació de 2,5 MPa de pressió i manteniment durant 3 minuts. - Disminució de la temperatura de les plaques fins a 0ºC mantenint la pressió durant 20 minuts (60-70ºC). Protocol 2: Observant el protocol de Liga et al. [67], s’ha realitzat un solvent bonding mitjançant etanol com a solvent i la premsa. El protocol a seguir ha estat el següent: - Pretractament de les superfícies mitjançant una neteja per ultrasons i un posterior assecament amb aire. - Abocament d’etanol en les dues superfícies mitjançant una xeringa i l’escampament d’aquest homogeni per tota la superfície. - Preescalfament de les plaques a 70ºC i introducció dels substrats entremig. - Aplicació de 2,5MPa de pressió durant 3 minuts. - Extreure la pressió passats els 3 minuts i treure el substrat de la premsa amb unes pinces. Protocol 3: Seguint el protocol proposat per Faghih & Sharp et al. [68], s’ha realitzat un solvent bonding amb la utilització d’una solució de 80% d’isopropanol i un 20% de diclorometà i un forn. El protocol a seguir ha estat el següent: - Pretractament de les superfícies mitjançant una neteja d’ultrasons i un posterior assecament amb aire. - Abocament de la solució sobre les superfícies mitjançant una xeringa i l’escampament d’aquest homogeni per tota la superfície. - Unió dels substrats amb un temps inferior a 10 segons i l’ajuntament d’aquest mitjançant unes pinces. - Introducció dels substrats al forn a 70ºC durant 5 minuts. - Extracció dels substrats del forn i posterior refredament durant 10 minuts mantenint la
Pàg. 72 Memòria unió amb les pinces. 5.2.1.2. Resultats Un cop realitzat els protocols, s’han testejat els dispositius mitjançant l’aparell ELVEFLOW. No hi ha hagut complicacions en realitzar el muntatge i dur a terme les connexions. S’ha injectat aigua amb colorant com a líquid, a unes certes pressions de 500 en 500 mil·libars fins a 2 bars obtenint els següents resultats mostrats en la Figura 5.4: Tal com s’observa en la Figura 5.4, el thermal bonding no ha establert el resultat esperat. Per contra, en els dos solvent bonding s’han obtingut molt bons resultats. Tant en el protocol 2 com en el 3 els dispositius ha aguantat pressions de fins a 2 bars. 5.2.1.3. Estudi d’unió iBLOOD Dutes a terme les diferents unions esmentades en l’estudi de la unió PMMA-PMMA, s’ha procedit a realitzar la unió en el dispositiu funcional iBLOOD. Com s’ha conclòs en l’estudi, el protocol 1 s’ha descartat, per tant s’han realitzat el protocol 2 i 3 per tal d’escollir el que produeixi millors resultats. El dispositiu un cop realitzades les diferents unions és el següent mostrat en la Figura 5.5ab: Figura 5.4. Protocols realitzats i els diferents resultats obtinguts en l’estudi d’unió de PMMA-PMMA. PROTOCOL 1 PROTOCOL 2 PROTOCOL 3 Fuga instantània Pmàx: 2000 milibars Pmàx:2000 milibars
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 73 En el protocol 2 amb la utilització d’etanol i la premsa, els paràmetres escollits per dur terme el solvent bonding han estat els següents de la Taula 5.2: Solvent Temperatura (ºC) Pressió (MPa) Holding Time (min) Etanol (30µl en el cobriment i canals) 70 2,5 3 Taula 5.2. Nivells dels paràmetres escollits en el protocol 2. En el protocol 3 amb la utilització d’isopropanol, diclorometà i el forn, els paràmetres escollits són els següents de la Taula 5.3: Solvent Temperatura (ºC) Pressió (MPa) Holding Time (min) 80% Isopropanol 20% Diclorometà 70 Pinces 5 Taula 5.3 Nivells dels paràmetres escollits en el protocol 3. Realitzats els dos protocols, s’han testejat amb l’aparell ELVEFLOW. En aquest cas, no s’han Figura 5.5. a) Vista de la peça superior i inferior unides. b) Vista d’alçat de la peça superior i inferior unides. a) b)
Pàg. 80 Memòria 5.2.3.2. Resultats Realitzats els dos protocols mencionats, s’han obtingut els següents resultats de la Figura 5.10: El protocol 1 no s’ha pogut testejar a causa d’una deformació produïda en el procés. Aquesta deformació, podria estar esdevinguda per la imposició d’uns paràmetres inadequats com podria ser una pressió o temperatura massa elevada. Per aquest fet, s’ha realitzat el protocol 2 en el qual s’ha dut a terme pràcticament el mateix protocol, però sense aplicació de pressió i aplicant la temperatura mitjançant un hot plate. En aquest cas, el dispositiu no ha patit cap deformació i, en testejar-se amb l’aparell ELVEFLOW, ha aguantat pressions de fins a 1 bar. Es confirma que la pressió és un factor determinant en aquest procés, i s’accepta el protocol 2 com a vàlid per a la unió de PMMA-Flexdym. 5.2.3.3. Estudi d’unió iBLOOD Un cop observades les grans dificultats que comporta la fabricació de l’iBLOOD monolíticament de PMMA per culpa de la complicació en la unió. Es decideix analitzar si és possible la construcció de l’iBLOOD mitjançant la unió de la peça superior de PMMA on s’han replicat els canals, amb una làmina de Flexdym, ja que com s’ha observat, aquest té unes propietats d’unió molt bones i faria la funció de la peça inferior d’introducció del paper Figura 5.10. Protocols i resultats de l’estudi d’unió PMMA-Flexdym
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 81 d’absorció i cobriment. Aquest fet, comporta la fabricació d’un nou motlle per a la mecanització d’aquesta nova peça de Flexdym. Tot i així, degut a l’escassetat de temps per a la seva obtenció, s’ha realitzat el protocol 2 de l’estudi d’unió PMMA-Flexdym per comprovar si seria adequada aquesta modificació per a la creació del dispositiu funcional. Cal destacar que aquesta unió produiria el contacte de la sang amb la combinació d’un material hidrofòbic (Flexdym) i un d’hidrofílic (PMMA) però, continua essent més viable per a la pressió capil·lar comparada amb el dispositiu monolític de PDMS realitzat fins ara. La unió es realitza amb les següents peces de la Figura 5.11: La forma realitzada en el Flexdym pel cobriment dels canals es realitza d’aquesta manera per tal situar la làmina entre les vies en forma de U i el rebaix de 2 µm tal com es mostra en el següent esquema de la Figura 5.12: Figura 5.11. a) Làmina de Flexdym que fa de cobriment. b) Peça a cobrir amb els canals replicats. Figura 5.12 Representació esquemàtica de la unió.
Pàg. 82 Memòria 6. Aplicacions En aquest apartat es comenten i discuteixen les proves realitzades per comprovar el funcionament dels dispositius funcionals i es calcula el temps de fabricació. 6.1. iBLOOD Confirmada la viabilitat de la creació del dispositiu iBLOOD en el laboratori i realitzats els protocols de HE i unió seleccionats, el dispositiu final obtingut és el següent observat en la Figura 6.1: S’ha testejat amb la introducció d’aigua amb colorant amb una pipeta. S’obté el següent resultat observat en la Figura 6.2: Figura 6.1. Dispositiu iBLOOD amb la unió de PMMA amb Flexdym. Figura 6.2. Procés d’ompliment dels canals del dispositiu iBLOOD sense el patiment de fugues. Flexdym PMMA
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 83 S’ha observat com el rebaix de 2µm i els canals s’emplenen amb el líquid introduït permetent la seva circulació. Aquest fet demostra que la secció del dispositiu ha estat fabricada correctament i la unió de la peça superior de PMMA amb la peça inferior de Flexdym no ha produït un col·lapse en la zona de recollida del plasma (rebaix de 2µm). - Temps de fabricació: En la següent Taula 6.1 es mostra el temps total de fabricació diferenciat per les diferents etapes i processos: ETAPA TEMPS [minuts] Procés de HE Escalfament total de les plaques en les diferents etapes 10 HT peça superior + inferior 6 CT peça superior + inferior 25 Desemmotllament peça superior + inferior 7 Procés d’unió Neteja d’ultrasons 5 Activació per O2 plasma 3 Posicionament de les peces 1 Escalfament en el hot plate 15 TOTAL 72 minuts Taula 6.1. Temps de fabricació iBLOOD. Per a la fabricació de l’iBLOOD es necessiten 72 minuts. Cal considerar que només es disposa d’una premsa al laboratori. Aquest temps es podria reduir considerablement si es realitzessin les peces que formen el dispositiu en paral·lel.
Pàg. 84 Memòria 6.2. Col·lector de suor Estudiada la viabilitat per a la fabricació del col·lector de suor en el laboratori i realitzats els protocols de HE i unió seleccionats, a la següent Figura 6.3 es mostra el dispositiu final col·lector de suor: Com ja s’ha comentat, està format per dues làmines de Flexdym, i un adhesiu de doble cara i de grau mèdic certificat pel seu ús en pell (3M 1522). Per la comprovació del seu funcionament, el dispositiu s’ha provat en un voluntari durant una prova d’esforç en bicicleta estàtica. S’ha col·locat al braç del voluntari i s’ha monitorat l’avanç de la suor mitjançant diferents fotografies. Coneixent les dimensions d’amplada, profunditat i llargada dels canals, es pot calcular volum col·leccionat durant la prova. L’àrea de la circumferència d’entrada als canals és de 7 mm2 i l’àrea que ocupen els canals és de 46,7 mm2. Per tant, l’àrea total és de 53,7 mm2. A partir d’aquí, sabent que l’altura mitjana dels canals és aproximadament de 125 µm i l’altura de la circumferència d’entrada és de 350 µm, es calcula el volum total de líquid que el dispositiu és capaç d’albergar: 8,33 µL. Estudis afirmen que el braç conté aproximadament 100 glàndules/cm2, aquestes són capaces de generar un cabal de suor entre 1 i 20 nL/min·glàndula [79]. Per tant, considerant l’àrea de l’entrada del dispositiu i una generació màxima de suor, aquest és capaç de recol·lectar la suor generada per 7 glàndules generant un flux total de 0,14 µL/min. S’han realitzat diverses fotografies cada 20 minuts passats 40 minuts d’exercici, obtenint els següents resultats mostrats en la Figura 6.4: Figura 6.3. Col·lector de suor.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 85 S’ha calculat el volum recol·lectat aproximat basant-se en la visualització dels canals i la utilització del programa Autocad. S’obtenen els següents resultats mostrats a la Taula 6.2: Temps [minuts] Volum recol·lectat [µL] 40 4,22 60 5,06 80 6,8 Taula 6.2. Volum de suor recol·lectat en els diferents períodes de temps. Figura 6.4. Procés d’ompliment del col·lector de suor. Regió buida Regió buida Regió omplerta Regió buida Regió omplerta Regió buida Regió omplerta 0 minuts 40 minuts 60 minuts 80 minuts
Pàg. 86 Memòria Realitzat l’experiment, es conclou que mitjançant l’adhesiu utilitzat el dispositiu s’uneix de manera adequada a la pell sense cap indici de desenganxament durant el temps de prova. S’observa que la pressió exercida per les glàndules és suficient per bombejar la suor a través dels canals hidrofòbics del Flexdym i no es produeixen fugues dels canals. Finalment, gràcies a les propietats òptiques del Flexdym (transparència) es conclou que és possible visualitzar la circulació del fluid, identificar el front d’avenç de la suor i poder fer, així, una estimació de volum recol·lectat en un temps donat. - Temps de fabricació: En la següent Taula 6.3 es mostra el temps total de fabricació: ETAPA TEMPS [minuts] Procés de HE Silanització 7 Escalfament de les plaques 4 HT 2 CT 15 Desemmotllament peça superior + inferior 5 Realització dels forats 3 Procés d’unió Neteja d’ultrasons 5 Activació per O2 plasma 3 Posicionament de les peces 1 Escalfament en el hot plate 5 Posicionament de l’adhesiu 1 TOTAL 51 minuts Taula 6.3. Temps de fabricació col·lector de suor.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 87 7. Avaluació econòmica Per tal de poder dur a terme una avaluació del cost del projecte, s’ha realitzat un estudi econòmic tenint en compte totes aquelles proves o aspectes que han pogut generar algun tipus de despesa. S’ha decidit separar les diferents despeses en tres grups: despeses de materials, de solvents i de personal. Pel que fa a les despeses de material, s’ha tingut en compte la quantitat de cada producte per realitzar els diferents assajos. Els preus dels materials s’han extret dels catàlegs proporcionats pel fabricant. Es mostren a la següent Taula 7.1: Material Quantitat [cm2] Preu [€] PMMA 1270 4,5 Flexdym 450 100 Vidre 135 35,2 Alumini 60 17 TOTAL 156,7 Taula 7.1. Despeses dels materials. En les despeses dels solvents, s’ha considerat el preu d’adquisició d’aquests tenint en compte la quantitat aproximada utilitzada. Es mostren a la Taula 7.2: Solvents Quantitat [mL] Preu [€] Etanol 250 50 Diclorometà 100 70,7 Isopropanol 25 27,9 Àcid acètic 50 9,7 Clorotrimetilsilà 25 21,1
Pàg. 88 Memòria PGMEA 250 11,65 SU-8 500 50 TOTAL 240,65 Taula 7.2. Despeses de solvents. Finalment, en les despeses de personal de la Taula 7.3 s’ha considerat l’equip de recerca format l’investigador del grup de recerca i l’estudiant d’enginyeria. Per a determinar les hores dedicades al projecte es tenen en compte, les necessàries per l’investigador per a formar a l’estudiant sobre conceptes teòrics del projecte i pràctics com per exemple la utilització de l’equipament. També cal afegir-li les necessàries a la supervisió del projecte per part de la directora. Pel que correspon a les hores emprades per l’estudiant s’ha tingut en compte les destinades a la recerca bibliogràfica, desenvolupament de la fase experimental, tractament de dades i la interpretació d’aquestes. També s’ha comptabilitzat les necessàries per a la redacció de l’informe. Per als directors s’ha estimat un total de 70 h mentre que per l’estudiant s’ha estimat en 300 hores. Equip Preu per hora [€/h] Preu total Investigador 15 1.050 Directora 20 400 Estudiant 10 3000 TOTAL 4.450 Taula 7.3. Despeses de personal. Tenint en compte totes les despeses calculades, uns 300 € de despeses materials d’altres tipus (xeringues, catèters, envasos...) i també uns costos indirectes (llicències, llum,...) d’un 25% sobre el cost final del projecte, s’obté un cost total aproximat del projecte de 6434,63 €
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 89 8. Impacte ambiental Aquest projecte s’ha realitzat tenint en compte els aspectes mediambientals adients i d’acord amb els conceptes de sostenibilitat marcats com a directriu per l’ETSEIB. Els dos materials que han generat residus durant en el projecte han estat el PMMA i el Flexdym. El PMMA, si es fon no produeix gasos tòxics i és reciclable. Pel que fa al Flexdym, també és un material el qual es pot reciclar després de las seva utilització. Durant els experiments realitzats al laboratori s’ha tingut en compte les separacions dels residus de solvents utilitzats i s’han dipositat en els dipòsits habilitats segons la normativa. Aquests dipòsits a posteriori s’han enviat a les plantes d’eliminació pertinents, realitzant els tractaments necessaris per minimitzar el seu impacte mediambiental. Pel que fa al material utilitzat com xeringues, catèters, puntes de pipetes, etc. S’han rebutjat en tot moment als seus contenidors adients pel posterior reciclatge.
Pàg. 96 Memòria [13] M. Safdar, J. Jänis, and S. Sánchez, “Microfluidic fuel cells for energy generation,” Lab Chip, vol. 16, no. 15, pp. 2754–2758, 2016, doi: 10.1039/c6lc90070d. [14] M. Schönberger, M. Hoffstetter, and M. Plastic, “Lab-on-a-Chip Device,” 2016. [15] “Introduction to lab-on-a-chip 2020: review, history and future - Elveflow.” https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/general-microfluidics/introduction-tolab-on-a-chip-review-history-and-future/ (accessed Jan. 10, 2021). [16] “LOC PCR - Lab on Chip PCR.” https://www.gene-quantification.de/lab-on-chip.html (accessed Jan. 13, 2021). [17] B. K. Gale et al., “A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects,” Inventions, vol. 3, no. 3, 2018, doi: 10.3390/inventions3030060. [18] S. Terry, H. Jerman, and J. Angell, “A Gas Chromatograph Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer,” Electron Devices, IEEE Trans., vol. 26, pp. 1880–1886, Jan. 1980, doi: 10.1109/T-ED.1979.19791. [19] G. M. Whitesides, “The origins and the future of microfluidics,” Nature, vol. 442, no. 7101, pp. 368–373, 2006, doi: 10.1038/nature05058. [20] V. Faustino, S. O. Catarino, R. Lima, and G. Minas, “Biomedical microfluidic devices by using low-cost fabrication techniques: A review.,” J. Biomech., vol. 49, no. 11, pp. 2280– 2292, Jul. 2016, doi: 10.1016/j.jbiomech.2015.11.031. [21] J. Wu and M. Gu, “Microfluidic sensing: state of the art fabrication and detection techniques.,” J. Biomed. Opt., vol. 16, no. 8, p. 80901, Aug. 2011, doi: 10.1117/1.3607430. [22] “Introduction about soft-lithography for microfluidics - Elveflow.” https://www.elveflow.com/microfluidic-reviews/soft-lithographymicrofabrication/introduction-about-soft-lithography-and-polymer-molding-formicrofluidic/ (accessed Jan. 13, 2021). [23] D. J. Kinahan, L. A. N. Julius, C. Schoen, T. Dreo, and J. Ducree, “Automated DNA purification and multiplexed lamp assay preparation on a centrifugal microfluidic ‘Labon-a-Disc’ platform,” Proc. IEEE Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst., vol. 2018-Janua, no. January, pp. 1134–1137, 2018, doi: 10.1109/MEMSYS.2018.8346761. [24] F. Ontiveros and J. R. Mcdowell, “Ultra-thin Microfluidic Devices Built via Thermal Lamination,” Biol. Fac. Publ., p. Paper 28, 2016, [Online]. Available: http://fisherpub.sjfc.edu/biology_facpub/28http://libguides.sjfc.edu/citations.%0Ahttps:// fisherpub.sjfc.edu/biology_facpub/28. [25] S. P. Kojic, G. M. Stojanovic, and V. Radonic, “Novel Cost-Effective Microfluidic Chip Based on Hybrid Fabrication and Its Comprehensive Characterization,” Sensors, vol. 19, no. 7, p. 1719, Apr. 2019, doi: 10.3390/s19071719. [26] M. Worgull, J.-F. Hétu, K. K. Kabanemi, and M. Heckele, “Hot embossing of microstructures: characterization of friction during demolding,” Microsyst. Technol., vol.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 97 14, no. 6, pp. 767–773, 2008, doi: 10.1007/s00542-007-0492-0. [27] “Types of 3D Printing Explained.” https://www.protolabs.com/resources/blog/types-of3d-printing/ (accessed Jan. 10, 2021). [28] C. Iliescu, H. Taylor, M. Avram, J. Miao, and S. Franssila, “A practical guide for the fabrication of microfluidic devices using glass and silicon,” Biomicrofluidics, vol. 6, no. 1, p. 016505, Mar. 2012, doi: 10.1063/1.3689939. [29] R. Sivakumar and N. Y. Lee, “Microfluidic device fabrication mediated by surface chemical bonding,” Analyst, vol. 145, no. 12, pp. 4096–4110, 2020, doi: 10.1039/d0an00614a. [30] C. S. Effenhauser, G. J. Bruin, A. Paulus, and M. Ehrat, “Integrated capillary electrophoresis on flexible silicone microdevices: analysis of DNA restriction fragments and detection of single DNA molecules on microchips.,” Anal. Chem., vol. 69, no. 17, pp. 3451–3457, Sep. 1997, doi: 10.1021/ac9703919. [31] P. Willberg-Keyriläinen, H. Orelma, and J. Ropponen, “Injection Molding of Thermoplastic Cellulose Esters and Their Compatibility with Poly(Lactic Acid) and Polyethylene,” Materials (Basel)., vol. 11, no. 12, p. 2358, Nov. 2018, doi: 10.3390/ma11122358. [32] M. Thunwall, A. Boldizar, and M. Rigdahl, “Compression molding and tensile properties of thermoplastic potato starch materials.,” Biomacromolecules, vol. 7, no. 3, pp. 981– 986, Mar. 2006, doi: 10.1021/bm050804c. [33] C. W. Tsao and D. L. DeVoe, “Bonding of thermoplastic polymer microfluidics,” Microfluid. Nanofluidics, vol. 6, no. 1, pp. 1–16, 2009, doi: 10.1007/s10404-008-0361x. [34] E. Materials, “Eden Materials Application Note : Flexdym TM Molding,” 2020. [35] “Flexdym fast prototyping polymer microfluidic microfabrication kit - Blackholelab Softlithography : Make your microfluidic chips.” https://www.blackholelab-softlithography.com/su-8-photolithography-and-pdms-soft-lithography-products/flexdymfast-prototyping-polymer-microfluidic-microfabrication-kit (accessed Jan. 13, 2021). [36] E. Roy, J. C. Galas, and T. Veres, “Thermoplastic elastomers for microfluidics: Towards a high-throughput fabrication method of multilayered microfluidic devices,” Lab Chip, vol. 11, no. 18, pp. 3193–3196, 2011, doi: 10.1039/c1lc20251k. [37] “Optical Profilometry - Nanoscience Instruments.” https://www.nanoscience.com/techniques/optical-profilometry/ (accessed Jan. 10, 2021). [38] “How Do Ultrasonic Cleaners Work? | Ultrasonic Machines.” https://www.besttechnologyinc.com/precision-cleaning-systems/how-do-ultrasonicswork/ (accessed Jan. 10, 2021). [39] S. Yu, S. P. Ng, Z. Wang, C. L. Tham, and Y. C. Soh, “Thermal bonding of thermoplastic elastomer film to PMMA for microfluidic applications,” Surf. Coatings Technol., vol. 320,
Pàg. 98 Memòria pp. 437–440, 2017, doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.11.102. [40] “OB1 - 4 channels microfluidic Flow controller - Elveflow.” https://www.elveflow.com/microfluidic-products/microfluidics-flow-control-systems/ob1pressure-controller/ (accessed Jan. 10, 2021). [41] S. S. Deshmukh and A. Goswami, “Hot Embossing of polymers - A review,” Mater. Today Proc., vol. 26, pp. 405–414, 2019, doi: 10.1016/j.matpr.2019.12.067. [42] J. Chai, F. Lu, B. Li, and D. Y. Kwok, “Wettability interpretation of oxygen plasma modified poly(methyl methacrylate),” Langmuir, vol. 20, no. 25, pp. 10919–10927, 2004, doi: 10.1021/la048947s. [43] R. K. Jena, C. Y. Yue, Y. C. Lam, and Z. Y. Wang, “High fidelity hot-embossing of COC microdevices using a one-step process without pre-annealing of polymer substrate,” Sensors Actuators, B Chem., vol. 150, no. 2, pp. 692–699, 2010, doi: 10.1016/j.snb.2010.08.018. [44] M. Y. Ali and A. S. Mohammad, “Effect of Conventional EDM Parameters on the Micromachined Surface Roughness and Fabrication of a Hot Embossing Master Microtool,” Mater. Manuf. Process., vol. 24, no. 4, pp. 454–458, Feb. 2009, doi: 10.1080/10426910802714373. [45] C.-Y. Chang and J.-H. Chu, “Innovative design of reel-to-reel hot embossing system for production of plastic microlens array films,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 89, no. 5, pp. 2411–2420, 2017, doi: 10.1007/s00170-016-9277-x. [46] J. M. Li, C. Liu, and J. Peng, “Effect of hot embossing process parameters on polymer flow and microchannel accuracy produced without vacuum,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 207, no. 1–3. pp. 163–171, 2008, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.062. [47] M. Sahli, T. Barrière, and J.-C. Gelin, “Finite element simulation and experimental investigation of hot embossing of thin polymer film,” Int. J. Simul. Multidiscip. Des. Optim., vol. 4, no. 2, pp. 101–106, 2010, doi: 10.1051/ijsmdo/2010013. [48] A. Ziyara, F. Çoğun, C. Varol, O. Totuk, and E. Yildirim, “Optimization of Hot Embossing Process for Fabrication of Microfluidic Devices,” 8th Eng. Technol. Symp., no. May, pp. 61–64, 2015, [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/279970861. [49] T. Kurita, I. Ogura, and K. Ashida, “Proposal of laser assisted hot embossing technology for glass,” J. Mater. Process. Technol., vol. 254, no. November 2017, pp. 248–253, 2018, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.040. [50] S. W. Kuo, H. C. Kao, and F. C. Chang, “Thermal behavior and specific interaction in high glass transition temperature PMMA copolymer,” Polymer (Guildf)., vol. 44, no. 22, pp. 6873–6882, 2003, doi: 10.1016/j.polymer.2003.08.026. [51] J. Greener et al., “Rapid, cost-efficient fabrication of microfluidic reactors in thermoplastic polymers by combining photolithography and hot embossing,” Lab Chip, vol. 10, no. 4, pp. 522–524, 2010, doi: 10.1039/b918834g.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 99 [52] A. Mathur, S. S. Roy, M. Tweedie, S. Mukhopadhyay, S. K. Mitra, and J. A. McLaughlin, “Characterisation of PMMA microfluidic channels and devices fabricated by hot embossing and sealed by direct bonding,” Curr. Appl. Phys., vol. 9, no. 6, pp. 1199– 1202, 2009, doi: 10.1016/j.cap.2009.01.007. [53] J. Lachaux et al., “Thermoplastic elastomer with advanced hydrophilization and bonding performances for rapid (30 s) and easy molding of microfluidic devices,” Lab Chip, vol. 17, no. 15, pp. 2581–2594, 2017, doi: 10.1039/c7lc00488e. [54] H. H. Tran, W. Wu, and N. Y. Lee, “Ethanol and UV-assisted instantaneous bonding of PMMA assemblies and tuning in bonding reversibility,” Sensors Actuators, B Chem., vol. 181, pp. 955–962, 2013, doi: 10.1016/j.snb.2012.11.060. [55] M. J. Lopez-Martinez et al., “Versatile micropipette technology based on deep reactive ion etching and anodic bonding for biological applications,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 19, no. 10, p. 105013, Oct. 2009, doi: 10.1088/09601317/19/10/105013. [56] R. Truckenmüller, R. Ahrens, Y. Cheng, G. Fischer, and V. Saile, “An ultrasonic welding based process for building up a new class of inert fluidic microsensors and actuators from polymers,” Sensors Actuators A-physical - Sens. ACTUATOR A-PHYS, vol. 132, pp. 385–392, Nov. 2006, doi: 10.1016/j.sna.2006.04.040. [57] G. V Kaigala, R. D. Lovchik, U. Drechsler, and E. Delamarche, “A Vertical Microfluidic Probe,” Langmuir, vol. 27, no. 9, pp. 5686–5693, May 2011, doi: 10.1021/la2003639. [58] H. Shadpour et al., “Multichannel microchip electrophoresis device fabricated in polycarbonate with an integrated contact conductivity sensor array,” Anal. Chem., vol. 79, no. 3, p. 870—878, Feb. 2007, doi: 10.1021/ac0612168. [59] Y. Wang, H. Chen, Q. He, and S. A. Soper, “A high-performance polycarbonate electrophoresis microchip with integrated three-electrode system for end-channel amperometric detection,” Electrophoresis, vol. 29, no. 9, p. 1881—1888, May 2008, doi: 10.1002/elps.200700377. [60] Z. Nie and Y. S. Fung, “Microchip capillary electrophoresis for frontal analysis of free bilirubin and study of its interaction with human serum albumin,” Electrophoresis, vol. 29, no. 9, pp. 1924–1931, 2008, doi: https://doi.org/10.1002/elps.200700596. [61] X. Zhu, G. Liu, Y. Guo, and Y. Tian, “Study of PMMA thermal bonding,” Microsyst. Technol., vol. 13, no. 3–4, pp. 403–407, 2007, doi: 10.1007/s00542-006-0224-x. [62] H. Y. Tan, W. K. Loke, Y. T. Tan, and N.-T. Nguyen, “A lab-on-a-chip for detection of nerve agent sarin in blood.,” Lab Chip, vol. 8, no. 6, pp. 885–891, Jun. 2008, doi: 10.1039/b800438b. [63] Y. Fan, H. Li, Y. Yi, and I. G. Foulds, “PMMA to Polystyrene bonding for polymer based microfluidic systems,” Microsyst. Technol., vol. 20, no. 1, pp. 59–64, 2014, doi: 10.1007/s00542-013-1778-z. [64] X. Sun, B. A. Peeni, W. Yang, H. A. Becerril, and A. T. Woolley, “Rapid prototyping of poly(methyl methacrylate) microfluidic systems using solvent imprinting and bonding,”
Pàg. 100 Memòria J. Chromatogr. A, vol. 1162, no. 2 SPEC. ISS., pp. 162–166, 2007, doi: 10.1016/j.chroma.2007.04.002. [65] A. M. D. Wan, A. Sadri, and E. W. K. Young, “Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves,” Lab Chip, vol. 15, no. 18, pp. 3785– 3792, 2015, doi: 10.1039/c5lc00729a. [66] P. Gruber, M. P. C. Marques, N. Szita, and T. Mayr, “Integration and application of optical chemical sensors in microbioreactors,” Lab Chip, vol. 17, no. 16, pp. 2693–2712, 2017, doi: 10.1039/c7lc00538e. [67] A. Liga, J. A. S. Morton, and M. Kersaudy-Kerhoas, “Safe and cost-effective rapidprototyping of multilayer PMMA microfluidic devices,” Microfluid. Nanofluidics, vol. 20, no. 12, pp. 1–12, 2016, doi: 10.1007/s10404-016-1823-1. [68] M. M. Faghih and M. K. Sharp, “Solvent-based bonding of PMMA–PMMA for microfluidic applications,” Microsyst. Technol., vol. 25, no. 9, pp. 3547–3558, 2019, doi: 10.1007/s00542-018-4266-7. [69] J. H. Xu, S. W. Li, J. Tan, and G. S. Luo, “Correlations of droplet formation in T-junction microfluidic devices: from squeezing to dripping,” Microfluid. Nanofluidics, vol. 5, no. 6, pp. 711–717, 2008, doi: 10.1007/s10404-008-0306-4. [70] K. G. Lee et al., “Ultrasonic bonding method for heterogeneous microstructures using self-balancing jig,” Lab Chip, vol. 15, no. 6, pp. 1412–1416, 2015, doi: 10.1039/c4lc01473a. [71] M. Matteucci, A. Heiskanen, K. Zór, J. Emnéus, and R. Taboryski, “Comparison of ultrasonicwelding and thermal bonding for the integration of thin film metal electrodes in injection molded polymeric lab-on-chip systems for electro chemistry,” Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 11, 2016, doi: 10.3390/s16111795. [72] J. Liu, C.-F. Chen, C.-W. Tsao, C.-C. Chang, C.-C. Chu, and D. L. DeVoe, “Polymer Microchips Integrating Solid-Phase Extraction and High-Performance Liquid Chromatography Using Reversed-Phase Polymethacrylate Monoliths,” Anal. Chem., vol. 81, no. 7, pp. 2545–2554, Apr. 2009, doi: 10.1021/ac802359e. [73] X. Hu, Q. He, X. Zhang, and H. Chen, “Fabrication of fluidic chips with 1-D nanochannels on PMMA substrates by photoresist-free UV-lithography and UVassisted low-temperature bonding,” Microfluid. Nanofluidics, vol. 10, no. 6, pp. 1223– 1232, 2011, doi: 10.1007/s10404-010-0753-6. [74] J. Liu, S. Yang, C. S. Lee, and D. L. DeVoe, “Polyacrylamide gel plugs enabling 2-D microfluidic protein separations via isoelectric focusing and multiplexed sodium dodecyl sulfate gel electrophoresis,” Electrophoresis, vol. 29, no. 11, pp. 2241–2250, 2008, doi: 10.1002/elps.200700608. [75] H. Yu, Z. Z. Chong, S. B. Tor, E. Liu, and N. H. Loh, “Low temperature and deformationfree bonding of PMMA microfluidic devices with stable hydrophilicity via oxygen plasma treatment and PVA coating,” RSC Adv., vol. 5, no. 11, pp. 8377–8388, 2015, doi: 10.1039/c4ra12771d.
Estudi de la fabricació de canals microfluídics en làmines polimèriques i la seva unió mitjançant hot embossing i processos tèrmics d’unió Pág. 101 [76] K. T. L. Trinh, Q. N. Pham, and N. Y. Lee, “Clog-free and reliable solvent bonding of poly(methyl methacrylate) microdevice mediated by eco-friendly acetic acid at room temperature and its application for polymerase chain reaction and human cell culture,” Sensors Actuators, B Chem., vol. 282, no. July 2018, pp. 1008–1017, 2019, doi: 10.1016/j.snb.2018.10.077. [77] S. H. Ng, R. T. Tjeung, Z. F. Wang, A. C. W. Lu, I. Rodriguez, and N. F. De Rooij, “Thermally activated solvent bonding of polymers,” Microsyst. Technol., vol. 14, no. 6, pp. 753–759, 2008, doi: 10.1007/s00542-007-0459-1. [78] S. P. Ng, F. E. Wiria, and N. B. Tay, “Low Distortion Solvent Bonding of Microfluidic Chips,” Procedia Eng., vol. 141, pp. 130–137, 2016, doi: 10.1016/j.proeng.2015.09.212. [79] Z. Sonner et al., “The microfluidics of the eccrine sweat gland, including biomarker partitioning, transport, and biosensing implications,” Biomicrofluidics, vol. 9, no. 3, pp. 1–19, 2015, doi: 10.1063/1.4921039.