Journal
Sensors and Actuators A: Physical
IF: 3.407 (2021)
DOI:
doi.org/10.1016/j.sna.2021.113330
Keywords:
Heterogeneous Bonding, PDMS Valve, Hybrid, Microfluidics
Maximizing interfacial bonding strength between PDMS and PMMA substrates for manufacturing hybrid microfluidic devices withstanding extremely high flow rate and high operation pressure
Tuan Ngoc Anh Vo, Pin-Chuan Chen
Võ Ngọc Anh Tuấn, Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Email: vnatuan@hcmut.edu.vn
Tóm tắt công bố khoa học
Những năm trở lại đây, công nghệ vi lỏng (microfluidics) được phát triển mạnh mẽ vì chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: y học, hóa học, và sinh học. Đặc điểm chính của công nghệ này là sử dụng một lượng chất lỏng rất nhỏ (micro lít) bơm vào chip vi lỏng thông qua vi kênh (micro channel). Tỷ số diện tích tiếp xúc/thể tích lớn giúp cho các phản ứng trong vi kênh xảy nhanh, tiết kiệm thời gian phân tích, và quan trọng hơn là tiết kiệm mẫu có tính quý hiếm (ví dụ: máu) và giá thành cao (ví dụ: thuốc điều trị ung thư).
Để chế tạo chip vi lỏng, bước đầu tiên là tạo các vi kênh dẫn mở trên bề mặt của một chất nền, bước tiếp theo là làm kín vi kênh bằng một chất nền khác (kỹ thuật bonding). Chất lượng liên kết giữa 2 chất nền rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp hiệu quả làm việc của vi chip. Các hiện tượng xảy liên nếu liên kết giữa 2 chất nền không tốt thường là tràn, rò rỉ, hỏng. Vật liệu để chế tạo chip vi lỏng rất đa dạng và phong phú, các loại vật liệu này phải đáp ứng các yêu cầu như: khả năng tương thích sinh học, độ bền, độ cứng cao, và có độ trong suốt tốt để quan sát phản ứng dưới kính hiển vị hay qua mắt thường. Polymethylmethacrylate (PMMA) và polydimethylsiloxane (PDMS) là hai loại vật liệu phổ biến nhất trong công nghệ vi lỏng. PMMA có đặc tính nhẹ, trong suốt như thủy tinh nhưng giá thành rẻ và dễ chế tạo. Trong khi đó, PDMS được xem như “siêu vật liệu” vì có tính quang học cao, đặc tính trước khi đông đặc là dạng lỏng nên có thể tạo bất cứ hình dạng gì theo khuôn mẫu, và có tính đàn hồi cao. Để tận dùng đồng thời ưu điểm của 2 loại vật liệu này, các nhà khoa học cố gắng nâng cao độ bền kết giữa chúng để chế tạo chip vi lỏng. Nhưng nhìn chung độ bền liên kết vẫn còn thấp làm hạn chế ứng dụng của vi chip. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một phương pháp nâng cao độ bền liên kết giữa chúng, cao gấp 3 lần các phương pháp hiện tại.
Hình 1 mô tả quá trình chế tạo chip PDMS/PMMA với mục tiêu tối đa độ bền liên kết. Đầu tiên là sử dụng máy micro CNC cắt vi kênh trên tấm PMMA, đồng thời chuẩn bị một tấm phẳng PDMS để niêm phong kênh. Sau đó, PMMA và PDMS đồng thời được kích hoạt bề mặt bằng oxygen plasma. Sau thời gian kích hoạt, PDMS được ngâm trong dung dịch 3-(aminopropyl)triethoxysilane (APTES), đồng thời PMMA được ngâm trong (3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPTMS). Cuối cùng, đặt 2 tấm ở nhiệt độ phòng trong 1 giờ để tạo thành liên kết amine-epoxy. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu các thông số trong quá trình chế tạo để tối đa độ bền liên kết giữa 2 vật liệu. Điều kiện tối ưu được tìm ra như sau:
- Công suất plasma: 6.8 W
- Áp suất khí oxygen: 800 mTorr
- Thời gian kích hoạt plasma: 60 giây
- Nồng độ của APTES: 3%
- Nồng độ của GPTMS: 1%
Phương pháp được đề xuất giúp vi chip có thể làm việc với áp suất chất lỏng bên trong kênh lên đến 600 kPa, áp suất khí hơn 800 kPa, độ bền kéo đạt tới 3 000 kPa, đồng thời lưu lượng chất lỏng trong vi kênh có thể lên đến 200 mL/min mà không có hiện tượng tràn, hỏng vi kênh nào xảy ra. Kết quả này cho thấy độ bền liên kết của PDMS-PMMA đạt được cao hơn nhiều so với các phương pháp hiện tại, được thể hiện như trên Hình 2. Đồng thời, phương pháp này còn giúp 2 vật liệu liên kết với nhau với diện tích tiếp xúc rất nhỏ. Điều này giúp giảm kích thước của vi chip, cũng như tăng chiều dài của kênh dẫn.
Hơn thế, chúng tôi đã ứng dụng công nghệ này để chế tạo micro van. Micro van dùng để đóng/mở các vi kênh giúp điều chỉnh dòng chảy. Nguyên lý hoạt động của micro van được thể hiện ở Hình 3. Bằng cách sử dụng đặc đính đàn hồi của PDMS, khi có áp lực khí tác động vào màng sẽ giúp màng đóng lại ngăn dòng chảy. Ngược lại, khi không còn tác động của áp lực khí, màng PDMS trở lại vị trí ban đầu, giúp dòng chảy tiếp tục. Kết quả thử nghiệm micro van có thể hoạt ở lưu lượng và áp suất rất cao so với các công bố trước đó. Ngoài ra, chúng tôi còn phát triển 1 hệ thống micro van gồm nhiêu van có mật độ rất cao. Ứng dụng của hệ thống micro van này giúp đóng/mở điều chỉnh dòng chảy bất kỳ hướng nào ta mong muốn, như trên Hình 3.
Kết luận: Với nghiên cứu này, chúng tôi đã thành công trong việc liên kết giữa PDMS và PMMA bằng phương pháp đơn giản, nhanh chóng, ở nhiệt độ phòng nhưng lại đạt được độ bền tối đa. Nghiên cứu đột phá này giúp cho việc thiết kế, chế tạo chip vi lỏng dễ dàng và khả thi hơn khi kết hợp của hai loại vật liệu, được ứng dụng trong các ngành nghiên cứu khác như y học, hóa học, và sinh học.
VI