Микротермоформование

Микротермоформование — это аббревиатура для микроскопического или микромасштабного термоформования , или, точнее, для термоформования микропродуктов или микроструктурных продуктов. Микроструктурные продукты означают продукты, которые имеют структуры в микрометровом диапазоне и имеют свою техническую функцию, обеспечиваемую формой микроструктуры [1]. Термоформование [2], в свою очередь, означает формование нагретых и, следовательно, размягченных полуфабрикатов в виде термопластичных полимерных пленок или пластин, края которых зафиксированы трехмерным растяжением. Формование осуществляется в основном путем формования пленок или пластин в женских формах (негативное формование) или поверх мужских форм (позитивное формование). В то время как другие процессы микрорепликации полимеров, такие как микролитье под давлением или (вакуумное) горячее тиснение, являются первичными процессами формования, где формование происходит уже в расплавленной, жидкой фазе нагретого полимерного материала, микротермоформование является вторичным процессом формования, где формование происходит в сильно размягченной, но все еще твердой фазе нагретого полимера.

Формы для микрорепликации полимеров в целом и для микротермоформовки в частности могут быть изготовлены различными методами, такими как механическая микрообработка, литографические методы в сочетании с гальванопокрытием (см. также так называемый процесс ' LIGA ') и мокрое или сухое травление. И они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как металл, кремний и стекло.

В течение нескольких лет в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) для изготовления пленочных микрочипов для капиллярного электрофореза (КЭ) [3–5] и для трехмерного культивирования клеток [6–8] используется процесс формования под давлением или высоким давлением (термо)формования. Этот процесс происходит от процесса макроскопического формования пленок в ловушке [2]. Это простая вариация вакуумного или прессового формования без предварительного растяжения, т. е. одноэтапное формование в женскую форму с нагревом пластикового листа с помощью контактной нагревательной пластины внутри формовочной станции. Формовочный воздух подается через сквозные отверстия в нагревательной пластине. В лабораторном масштабе по-прежнему термоформуются различные термопластичные пленки, в том числе из биоразлагаемых полимеров, таких как поликапролактон (PCL) толщиной обычно от 20 до 100 мкм. Это выполняется с помощью давления газа до 5 МПа в механически микрообработанных полостях микроформ в форме пластин из латуни.

Первые примеры процессов, приближающихся к тому, что можно было бы назвать «микротермоформовкой», относятся ко второй половине девяностых годов. Так, в 1993 году были изготовлены куполообразные полимерные микроструктуры для использования в электрических мембранных переключателях [9]. Это было сделано между сопряженными верхним и нижним металлическим штампом для тиснения 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 виде более толстой, неструктурированной пленки или пластины, изготовленной из легко деформируемого, например, эластомерного материала, который способен принимать форму твердого металлического инструмента. В 2006 году в Школе полимерной, текстильной и волоконной инженерии (ПТФЭ) Технологического института Джорджии (GIT) тот же технологический подход был использован для изготовления аналогичных структур, похожих на гофрированные листы, с помощью так называемого «процесса горячего тиснения с использованием резины» [11].

Процесс микротермоформования, включая его продукты, может обладать всеми выгодными свойствами мощного макроскопического производственного процесса. Более того, термоформованные микрочасти обладают дополнительными, специфическими свойствами, проявляющимися только в микромасштабных размерах 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. Специфическими свойствами термоформованных микрочастей являются, среди прочего, их высокая гибкость, их малый объем и масса, их низкое тепловое сопротивление и теплоемкость, а также их низкое поглощение света и фоновая флуоресценция. Морфология и свойства этих микрочастей теперь могут привести к улучшенным или даже новым, до сих пор немыслимым применениям.

По сравнению с другими процессами микрорепликации, при микротермоформовании модификации формируемой пленки сохраняются после этапа формования благодаря уже упомянутой когерентности материала во время этого вторичного процесса формования. Это позволяет проводить поверхностную и объемную модификацию и функционализацию трехмерно сформированных пленок или мембран, а именно, в виде высокоразрешенных микро- и наношаблонов, а также со всех сторон, т. е. на труднодоступных боковых стенках и даже за поднутрениями . Таким образом, например, термоформованные чипы для трехмерного культивирования клеток могут быть снабжены порами, паттернами адгезии клеток [6–8], топологиями поверхности и электродами [12].

Ожидается, что будущие области применения микротермоформования будут

• в целом 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 приводов
• умный текстиль и т.д.

• Промежуточный отчет рабочей группы NEXUS 1998 г. Анализ рынка микросистем
• Трон Дж. Л. 1996 Технология термоформования (Мюнхен: Hanser)
• Truckenmüller R, Rummler Z, Schaller T и Schomburg WK 2001 Недорогое производство одноразовых полимерных капиллярных электрофорезных структур методом микротермоформования . Труды 12-го Европейского семинара по микромеханике (MME) (Корк, Ирландия), стр. 39–42
• Truckenmüller R, Rummler Z, Schaller T и Schomburg WK 2002 Недорогое термоформование микрочипов для анализа жидкости J. Micromech. Microeng. 12 375–9
• Truckenmüller R, Giselbrecht S 2004 Микротермоформование гибких, не заглубленных полых микроструктур для приложений на основе чипов в области естественных наук IEE Proc. Нанобиотехнология 151 163–6
• Гизельбрехт С., Гитцельт Т., Готвальд Э., Губер А.Е., Траутманн С., Тракенмюллер Р. и Вайбезан К.Ф. 2004 г. Микротермоформование как новый метод изготовления каркасов в тканевой инженерии (CellChips) IEE Proc. Нанобиотехнология 151 151–7
• Giselbrecht S, Gottwald E, Schlingloff G, Schober A, Truckenmüller R, Weibezahn KF и Welle A 2005 Высокоадаптируемая микроструктурированная 3D-платформа для культивирования клеток в формате 96 лунок для дифференциации и характеристики стволовых клеток . Труды 9-й Международной конференции по миниатюрным системам для химии и наук о жизни (системы микроанализа, 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 методом микротермоформования предварительно обработанных полимерных пленок Biomed. Microdevices 8 191–9
• Куросава М., Хага С., Ямасато Х., Кобаяши И. и Сузуки С. 1995 г. Мембранный переключатель для тиснения ПЭТ Fujikura Technical Review 24 97–100
• Дройт Х. и Хайден К. 1999 Термопластичное структурирование тонких полимерных пленок Сенсорные приводы A-Physical 78 198–204
• Нагараджан П. и Яо Д. 2006 Горячее тиснение с использованием резины для структурирования тонкопленочных полимерных пленок . Труды Международного конгресса и выставки по машиностроению ASME (IMECE) (Чикаго, Иллинойс)
• Gottwald E, Giselbrecht S, Augspurger C, Lahni B, Dambirowsky N, Truckenmüller R, Piotter V, Gietzelt T, Wendt O, Pfleging W, Welle A, Rolletschek A, Wobus AM и Weibezahn KF 2007 Платформа на основе чипа для in vitro генерации тканей в трехмерной организации Lab Chip 7 777-85