Термоформованные микродетали обладают некоторыми уникальными свойствами, которые создаются благодаря их специальной морфологии. Некоторые из многочисленных потенциальных применений, которые можно создавать за счет этих параметров, рассматриваются в данной статье. Введение На протяжении более чем двух десятилетий, полимерный микроинжиниринг [1] представлял собой быстро растущую отрасль, производящую микропродукты, которые определяются здесь как продукты, содержащие структуры с размерами между 0.1 и 1000 микрометров. Эти продукты могут быть простыми деталями, отдельными микрокомпонентами датчиков или приводов, или же комплексными микросистемами, состоящими из нескольких компонентов, включая упаковку, электронные устройства и источники питания. Микропродукты стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, имея диапазон применений от автомобильных деталей до медико-биологических наук. Литьевое формование является основным методом полимерного микровоспроизведения [2]. На сегодняшний день термоформование не принимало участия в развитии микроинжиниринга. Очевидной причиной является отсутствие соответствующей производственной технологии для микротермоформования, а также специальных инновационных применений для микротермоформованных продуктов. Ученые из Исследовательского центра Карлсруэ в настоящее время разработали микроразмерную технологию термоформования, и создали микропродукты для многообещающего и важного применения. Рассматриваемая в настоящей статье новая технология называется 'микротермоформованием'. Она представляется особенно хорошо подходящей для массового производства полимерных микрочипов для жидкостных применений. Первое применение имеется в медико-биологических науках для продуктов единичного использования, таких как микроустройства типа «лаборатория на чипе» или LOC [4] или же для «систем микрототального анализа» или микро TAS [3]. В микрожидкостных чипах происходит синтез и анализ биохимических веществ для исследования фармацевтических активных веществ. Далее мы рассмотрим новую микротехнологию, соответствующий пресс, потери и полуфабрикаты, которыми являются чипы для капиллярного электрофореза (CE) и чипы для культивации in-vitro живых клеток. Здесь рассматриваются только некоторые из многочисленных потенциально возможных применений, которые можно получить на основе использования уникальных свойств термоформованных микродеталей. Технология микротермоформования Существующая в настоящее время микротехнология является микроскопической адаптацией макроскопической технологии формования зажатого листа [5]. В прессе тонкая пленка термопласта нагревается за счет контакта с горячими пластинами и формуется со сжатым газом в очищенные микрогнезда пресс-формы. В ходе второго этапа на том же прессе термоформованную пленку подвергают термосварке с другой полимерной пленкой без извлечения из пресс-формы. С помощью этой технологии, влагонепроницаемые жидкостные микроструктуры, такие как микроканалы и резервуары, создаются в виде одного изделия. Эта технология эффективнее литьевого микроформования или метода специального микрополимерного воспроизведения, который известен как метод горячего тиснения в вакууме [6]. Кроме того, эта технология обеспечивает возможность реализации различных технологий предварительной или же последующей обработки, таких как модификация поверхности или основы, которые обычно связаны с применением термоформования, но невозможны при использовании других технологий. Данная технология позволяет получать уникальные текстурированные, функционализированные и перфорированные трехмерные микроструктуры, такие как разведение клеток in-vitro, представленное далее. Пресс Как уже отмечалось, новая технология микротермоформования является развитием относительно простой технологии формования зажатого листа. Трехкомпонентная пресс-форма состоит из формы в виде пластины с микроформованными гнездами, контрплиты с отверстиями для отвода газа и вытеснения его высоким давлением, а также герметизации между формой и контрплитой. Термопластическая пленка вводится в форму, и форма в сборе устанавливается на разогретый лабораторный пресс. Пресс закрывается с последующим достижением положения, при котором есть вакуумная герметизация, но пленка еще не зажата между пластинами формы. Форма вакуумируется, затем полностью закрывается, полностью зажимая и нагревая пленку. Когда полимер достигает температуры формования, пленку проталкивают в вакуумированные гнезда формы с помощью сжатого газа. Затем форму охлаждают. Когда температура формы становится примерно на 20°C ниже температуры формования полимера, давление газа ослабляется, форма открывается, и микроструктуру извлекают из формы. Вторичные технологии Если деталь должна быть закрытым контейнером, в пресс вводится вторая пленка после того, как будет сформована первая, но до извлечения микроструктуры из формы. Вторая пленка содержит клей, активируемый при нагревании. Пресс снова закрывается, прижимая вторую пленку к сформованной микроструктуре для того, чтобы активизировать связывающее вещество и сформовать контейнер. В сущности, микропродукт получается термоформованием из двойного листа. Таким способом производятся не проницаемые для жидкости продукты, которые способны составить конкуренцию продуктам, изготовленным литьевым микроформованием и горячим тиснением в вакууме, такие как микроканалы и резервуары. Технологии предварительной или же последующей обработки листа для получения изменения поверхности могут сочетаться с технологией формования из двойного листа. В число примеров входят ионная бомбардировка перед формованием, и создание травлением ионных треков после формования, ультрафиолетовое изменение поверхности с помощью соответствующих масок до формования, и функционализация жидкими реактивами после формования. Таким образом, текстурированные, функционализированные и перфорированные трехмерные (3D) микроструктуры производятся из мембран, которые находят применение при разведении в пробирке трехмерных клеток, как будет показано далее. Пресс-форма Пресс-формы для полимерного микровоспроизведения можно создавать различными методами и из различных материалов. Используются механическая микромашинная обработка [7], методы на литографической основе в сочетании с электроосаждением [1], влажное или сухое травление, удаление воздействием лазерного излучения, обдувка порошком, и обработка электрическим разрядом. В качестве материалов для формы используются металл, керамика, стекло и двуокись кремния. Никелевые формы со структурами высокого разрешения и высоким аспектным отношением с гладкими боковыми стенками создаются с использованием технологии "LIGA" [1]. Формы для крупных деталей из латуни или специальных марок стали с высокой степенью плоскостности и параллельности плоскостей создавались с использованием высокоскоростного и высокоточного вырубания. Алмазные резаки с концевой фрезой имеются на рынке с диаметрами до 200 микрометров и из специальных марок стали с диаметрами до 30 микрометров. Для создания чипов для капиллярного электрофореза и выращивания культур клеток, которые рассматриваются далее, формы и контрплиты изготавливаются из закругленной латуни (Ms58) с диаметром 116 мм, см. рисунок 1. 1 Часть данной работы была представлена на состоявшейся в 2006 году конференции Европейского отделения термоформования, проходившей в Зальцбурге, Австрия, 18 марта 2006 г.
|
