Микротермоформование - это аббревиатура для микроскопического или микромасштабного термоформования , или, точнее, для термоформования микропродуктов или продуктов микроструктуры . Продукты микроструктуры означают продукты, которые имеют структуру в диапазоне микрометров и техническая функция которых обеспечивается формой микроструктуры [1]. Термическое формование [2], в свою очередь, означает формование нагретых и, следовательно, размягченных полуфабрикатов в виде термопластичного полимера.пленки или пластины, края которых закреплены трехмерным растяжением. Формование осуществляется в основном путем формования пленок или пластин в охватывающие формы (отрицательное формование) или поверх охватываемых форм (положительное формование). В то время как другие процессы микрорепликации полимера, такие как микролитье под давлением или (вакуумное) горячее тиснение, являются процессами первичного формования, когда формирование происходит уже в расплавленной жидкой фазе нагретого полимерного материала, микротермоформование представляет собой вторичный процесс формования, при котором формирование происходит в сильно размягченной среде. , но все еще твердая фаза нагретого полимера.
Формы для микрорепликации полимеров в целом и, в частности, для микротермоформования могут быть изготовлены различными методами, такими как механическая микрообработка, литографические методы в сочетании с гальваникой (см. Также так называемый процесс LIGA ) и влажное или сухое травление. И они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как металл, кремний и стекло.
Уровень развития
Уже несколько лет в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) процесс формования под давлением или под высоким давлением (термо) используется для изготовления пленочных микрочипов для капиллярного электрофореза (CE) [3–5] и для трехмерного культивирования клеток [6 –8]. Этот процесс является производным от процесса формирования макроскопических листов с ловушками [2]. Это простой вариант формования под вакуумом или давлением без предварительного растяжения, то есть одностадийное формование в матричную форму с нагревом пластикового листа с использованием контактной нагревательной пластины внутри станции формования. Формовочный воздух подается через отверстия в нагревательной пластине. По-прежнему в лабораторном масштабе термоформуются различные термопластические пленки из биоразлагаемых полимеров, таких как поликапролактон (PCL), с толщиной обычно от 20 до 100 мкм. Это осуществляется давлением газа до 5 МПа в механически обработанных полостях пластинчатых микропрессов из латуни.
Первые примеры процессов, приближающихся к тому, что можно было бы назвать «микротермоформованием», относятся ко второй половине девяностых годов. Так, в 1993 г. были изготовлены куполообразные полимерные микроструктуры для использования в электрических мембранных переключателях [9]. Это было сделано между сопрягающимися верхним и нижним штампом для тиснения металла с вогнутой и выпуклой деталью соответственно сначала в горячем, а затем во втором холодном прессе. А в 1999 году были изготовлены гофрированные листовые полимерные микроструктуры для использования, например, в электростатических приводах [10]. Это также было сделано между нагретыми инструментами и контринструментами, а именно в прерывистых процессах между штампами или в непрерывных процессах между роликами. Частично контринструмент был мягким в форме более толстой пленки или пластины без рисунка, изготовленной из легко деформируемого, например, эластомерного материала, который может принимать форму твердого металлического инструмента. В 2006 году в Школе инженерии полимеров, текстиля и волокон (PTFE) Технологического института Джорджии (GIT) тот же технологический подход был использован для изготовления аналогичных гофрированных листов подобных структур в так называемом «горячем тиснении с резиновым покрытием». процесс »[11].
Возможности и приложения
Процесс микротермоформования, включая его продукты, может обладать всеми преимуществами мощного макроскопического производственного процесса. Более того, термоформованные микрочастицы обладают дополнительными специфическими свойствами, проявляющимися только в микромасштабах и являющимися результатом их необычной морфологии. Термоформованные, например, микрофлюидные структуры имеют свободно стоящие микрополости, такие как каналы и резервуары, и они имеют тонкие стенки, частично в диапазоне нескольких микрометров. Особые свойства термоформованных микрочастиц включают, среди прочего, их высокую гибкость, малый объем и массу, низкое термическое сопротивление и теплоемкость, а также низкое поглощение света и фоновую флуоресценцию. Морфология и свойства этих микродеталей теперь могут привести к усовершенствованным или даже новым, до сих пор неосознанным применениям.
По сравнению с другими процессами микрорепликации при микротермоформовании модификации пленки, которая должна быть сформирована, остаются сохраненными после стадии формования из-за уже упомянутой когерентности материала во время этого вторичного процесса формования. Это дает возможность поверхностной и объемной модификации и функционализации трехмерно сформированных пленок или мембран, а именно в виде микро- и наноструктур с высоким разрешением, и со всех сторон, то есть на труднодоступных боковых стенках и даже за поднутрениями . Так, например, термоформованные чипы для трехмерного культивирования клеток могут быть снабжены порами, структурами клеточной адгезии [6–8], топологией поверхности и электродами [12].
Ожидается, что в будущем области применения микротермоформования будут
- как правило, науки о жизни, например, гибкие пленочные микрочипы, такие как устройства μTAS (Micro Total Analysis Systems) и LOC ( Lab-on-a-chip ), возможно, в непрерывном формате и в сочетании с политронными схемами, а также в качестве человеческих имплантатов
- особенно тканевая инженерия , например, пленочные субстраты или каркасы для трехмерного культивирования клеток в фундаментальных исследованиях, медицинской диагностике, исследованиях фармацевтических активных веществ, а также клинических исследованиях и терапии, особенно если они интегрированы в стандартные лабораторные платформы, такие как чашки Петри и микротитровальные планшеты
- Микроупаковка, например, корпуса или крышки микродатчиков и исполнительных механизмов.
- умный текстиль и т. д.
Рекомендации
- Промежуточный отчет рабочей группы NEXUS по анализу рынка микросистем за 1998 год.
- Throne JL 1996 Технология термоформования (Мюнхен: Hanser)
- Truckenmüller R, Rummler Z, Schaller T и Schomburg WK 2001 Недорогое производство одноразовых полимерных структур для капиллярного электрофореза методом микротермоформования Proc. 12-й семинар по микромеханике в Европе (MME) (Корк, Ирландия), стр. 39–42.
- Тракенмюллер Р., Руммлер З., Шаллер Т. и Шомбург В.К. 2002 Недорогое термоформование микрочипов для анализа жидкости J. Micromech. Microeng. 12 375–9
- Truckenmüller R, Giselbrecht S 2004 Микротермоформование гибких, незаглубленных полых микроструктур для биологических приложений на основе микросхем IEE Proc. Нанобиотехнологии 151 163-6
- Giselbrecht S, Gietzelt T., Gottwald E, Guber AE, Trautmann C, Truckenmüller R и Weibezahn KF 2004 Микротермоформование как новый метод производства каркасов в тканевой инженерии (CellChips) IEE Proc. Нанобиотехнологии 151 151-7
- Giselbrecht S, Gottwald E, Schlingloff G, Schober A, Truckenmüller R, Weibezahn KF и Welle A 2005 Высокоадаптируемая микроструктурированная трехмерная платформа для культивирования клеток в 96-луночном формате для дифференцировки и характеристики стволовых клеток Proc. 9-е межд. Конф. по миниатюрным системам для химии и наук о жизни (Micro Total Analysis Systems, μTAS) (Бостон, Массачусетс), стр. 376–8
- Giselbrecht S, Gietzelt T, Gottwald E, Trautmann C, Truckenmüller R, Weibezahn KF и Welle A 2006 3D-субстраты для тканевых культур, полученные путем микротермоформования предварительно обработанных полимерных пленок Biomed. Microdevices 8 191-9
- Куросава М., Хага С., Ямасато Х., Кобаяши И. и Сузуки С. Переключатель мембраны с тиснением ПЭТ, 1995 г. Технический обзор Fujikura 24 97–100
- Dreuth H и Heiden C 1999 Термопластическое структурирование тонких полимерных пленок Sens. Actuators A-Physical 78 198–204
- Нагараджан П. и Яо Д. 2006 Горячее тиснение с применением каучука для структурирования тонкопленочных полимерных пленок Proc. Международный конгресс и выставка машиностроения ASME (IMECE) (Чикаго, Иллинойс)
- Gottwald E, Giselbrecht S, Augspurger C, Lahni B, Dambrowsky N, Truckenmüller R, Piotter V, Gietzelt T, Wendt O, Pfleging W, Welle A, Rolletschek A, Wobus AM и Weibezahn KF 2007 Платформа на базе микросхем для vitro создание тканей в трехмерной организации Lab Chip 7 777-85