ES2216501T3 - Uniones sin adhesivos de componentes polimericos para producir estructuras cerradas de micro y nanocanales. - Google Patents
Uniones sin adhesivos de componentes polimericos para producir estructuras cerradas de micro y nanocanales.Info
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Abstract
Procedimiento para la producción sin adhesivos de componentes poliméricos que comprende los pasos: a) Proporcionar un sustrato polimérico que presente al menos en una superficie cavidades que formen estructuras de micro o/y nanocanales, b) Antes del calentamiento, montar a presión un recubrimiento polimérico dotado de una superficie lisa sobre una superficie del sustrato que presente cavidades, por lo demás lisa, c) Después del paso b) calentar el sustrato con el recubrimiento montado a presión a una temperatura que sea al menos tan alta como la temperatura de transición vítrea del sustrato y del recubrimiento, para su unión y d) Enfriar a lo largo de un período de hasta 30 seg.
Description
Uniones sin adhesivos de componentes poliméricos
para producir estructuras cerradas de micro y nanocanales.
La invención se refiere a un procedimiento para
la producción de componentes poliméricos con estructuras huecas
contenidas en ellos, por ejemplo en forma de micro o/y nanocanales
cerrados, en el que no se utilizan adhesivos. Además, la invención
se refiere al uso del procedimiento para la producción de piezas
poliméricas para procedimientos de detección.
Los componentes poliméricos, por ejemplo biochips
de plástico, que contienen estructuras huecas en su interior, se
produjeron hasta ahora mediante un procedimiento, en el que una capa
superficial de plástico se pegaba con un adhesivo, por ejemplo un
adhesivo de endurecimiento con rayos UV, sobre un sustrato de
plástico que contiene cavidades. Sin embargo, el uso del adhesivo
implicaba desventajas importantes. De esta manera, al aplicar una
cantidad muy grande, el adhesivo se desplazaba a causa de las
interacciones capilares en los canales y éstos quedaban al menos
parcialmente no atravesables. Por otro lado, con el uso de
cantidades demasiado pequeñas de adhesivo aparecían volúmenes
muertos en la proximidad directa de los canales. Aparte de eso, el
procedimiento era muy complicado, dado que había que trabajar bajo
un microscopio. Finalmente también empeoraban las propiedades
químicas o/y espectroscópicas del componente de plástico a causa de
la presencia del adhesivo.
Del documento
DE-A-40 22 793 se conoce el soldar
una lámina polimérica sobre una placa polimérica que contiene
concavidades, sin precalentar la placa polimérica o la lámina
polimérica. Por medio de la presión del molde de soldadura se
producen costuras en forma de puntos reticuladas. El molde de
soldadura se calienta a una temperatura de 250 a 300ºC (columna 4,
líneas 63-65), de manera que puedan tener lugar
modificaciones químicas de los materiales poliméricos en combinación
con una disminución de la transparencia o un aumento de la
fluorescencia de base eventuales. Además, en la proximidad de las
costuras aparecen volúmenes muertos no deseados.
El documento
WO-A-90/14740 da a conocer el
colocar en frío, uno sobre el otro, dos bloques de plástico a
fundir, que contienen microcanales, y disponerlos en una caja, que
evita una expansión en dirección hacia afuera de los bloques durante
el calentamiento subsiguiente. Por medio de la expansión térmica,
los bloques se comprimen y funden.
De Roberts et al., UV Laser Machined
Polymer Substrates for the Developement of Microdiagnostic Systems,
Analytical Chemistry, volumen 69, Nº 11, 1 de junio de 1997, páginas
2035-2042, ISSN: 0003-2700 se conoce
el pegar térmica y rápidamente entre sí dos componentes poliméricos
que contienen microestructuras.
El documento
US-A-3.997.386 muestra la unión de
dos superficies lisas de componentes poliméricos, calentando en
primer lugar las piezas hasta apenas por debajo de su temperatura de
transición vítrea y comprimiéndolas después.
El documento
WO-A-98/45693, el más antiguo en
cuanto a la prioridad, sin embargo publicado después, da a conocer
un procedimiento para la producción sin adhesivos de componentes
poliméricos y su uso en un procedimiento eléctrico de detección que
comprende los pasos:
a) Proporcionar un sustrato polimérico que
presente, en al menos una superficie, cavidades que formen
estructuras de micro o/y nanocanales,
b) Montar a presión un recubrimiento polimérico
dotado de una superficie lisa sobre una superficie del sustrato que
presente cavidades, por lo demás lisa,
c) Calentar lentamente el sustrato, con el
recubrimiento montado a presión, a una temperatura de
2-5ºC sobre la temperatura de transición vítrea del polímero
2-5ºC sobre la temperatura de transición vítrea del polímero
d) Enfriar lentamente a temperatura ambiente a
razón de 1ºC/min.
Por consiguiente, la tarea que sirve de base a la
presente invención consiste en proporcionar un procedimiento para la
producción de componentes poliméricos o de plástico dotados de
estructuras huecas, en el que las desventajas del estado de la
técnica mencionadas anteriormente se eviten al menos
parcialmente.
Esta tarea se soluciona mediante un procedimiento
para la producción de componentes poliméricos que comprende los
pasos:
a) Proporcionar un sustrato polimérico que
presente al menos en una superficie cavidades que formen estructuras
de micro o/y nanocanales,
b) Antes del calentamiento, montar a presión un
recubrimiento polimérico dotado de una superficie lisa sobre una
superficie del sustrato que presente cavidades, por lo demás
lisa,
c) Después del paso b) calentar el sustrato con
el recubrimiento montado a presión a una temperatura que sea al
menos tan alta como la temperatura de transición vítrea del sustrato
y del recubrimiento, para su unión y
d) Enfriar a lo largo de un período de hasta 30
seg.
El paso a) del procedimiento según la invención
comprende proporcionar un sustrato polimérico con cavidades abiertas
sobre una superficie. Sobre esta superficie se aplica un
recubrimiento, para producir de esta manera un componente polimérico
con estructuras huecas cerradas hacia arriba. Los sustratos
poliméricos y recubrimientos poliméricos utilizados para ello se
seleccionan de los plásticos termoplásticos que pueden procesarse en
la masa, preferiblemente de los polímeros acrílicos, policarbonatos,
poliestirenos, así como copolímeros y mezclas de ellos.
Preferiblemente se seleccionan el sustrato polimérico y el
recubrimiento polimérico de los polímeros acrílicos, como por
ejemplo polímeros de poliacilato, polimetacrilato y especialmente
poli(metilmetacrilato) o policarbonatos.
El sustrato polimérico presenta en al menos una
superficie cavidades. Estas cavidades tienen preferiblemente una
anchura o/y profundidad en el intervalo de 10 nm a 2 mm,
prefiriéndose especialmente de 100 nm a 1 mm y prefiriéndose ante
todo de 1 \mum a
500 \mum. Las cavidades comprenden estructuras en forma de canales.
500 \mum. Las cavidades comprenden estructuras en forma de canales.
Sobre este sustrato se lamina, mediante el
procedimiento según la invención, un recubrimiento polimérico, por
ejemplo en forma de una lámina polimérica, sin el uso de adhesivos.
Para ello se seleccionan el sustrato y el recubrimiento
preferiblemente del mismo tipo de material polimérico, especialmente
del mismo material. Además se prefiere que al menos el recubrimiento
y especialmente tanto el recubrimiento como también el sustrato
estén compuestos por materiales con transparencia óptica, es decir,
transparentes en el intervalo de la luz visible o/y UV.
Para la producción del sustrato con una
superficie que presente cavidades puede generarse en primer lugar
una máscara de contacto, es decir, grabando con un láser bajo una
atmósfera de gas cloro las microestructuras deseadas en una membrana
de silicio. Esta máscara de contacto se coloca entonces sobre el
sustrato de plástico y se irradia con luz láser, por ejemplo con un
láser de UV de vacío, con lo que los canales deseados se fresan por
ablación en el plástico. La profundidad de fresado puede ajustarse
exactamente con el láser y es por ejemplo de 100 nm por proceso de
exposición. Los canales obtenidos de esta manera tienen una
superficie muy lisa. Tras retirar la máscara se obtiene entonces el
sustrato polimérico utilizable para el procedimiento según la
invención. De forma alternativa, los sustratos dotados de
microestructuras abiertas pueden producirse también a partir de una
forma maestra, por ejemplo, mediante fundición inyectada.
El paso b) del procedimiento según la invención
comprende la aplicación de un recubrimiento polimérico sobre una o
más superficies del sustrato que presentan cavidades. Para ello, la
superficie del recubrimiento polimérico, que puede ser, a modo de
ejemplo, también una lámina, y la superficie del sustrato se
proporcionan en forma limpia y lo más lisa posible. Luego se dispone
el recubrimiento sobre el sustrato y se comprimen las dos piezas,
encontrándose la fuerza de compresión preferiblemente en el
intervalo de 0,1 a 1000 kg/cm^{2}, por ejemplo
0,2-20 kg/cm^{2}.
Después se calienta el sustrato con el
recubrimiento montado a presión, según el paso c) del procedimiento
según la invención, a una temperatura que es al menos tan alta como
la temperatura de transición vítrea del sustrato o/y del
recubrimiento. El calentamiento se realiza lentamente,
preferiblemente en un horno regulable, desde la temperatura de
partida, por ejemplo temperatura ambiente, hasta un valor apenas por
encima de la temperatura de transición vítrea del polímero. La
temperatura de transición vítrea depende de la velocidad de
calentamiento y el experto puede determinarla sin más mediante
ensayos sencillos para diferentes materiales. Preferiblemente, la
duración del calentamiento se encuentra en el intervalo de 0,5 a 3
h, prefiriéndose especialmente en el intervalo de 0,5 a 1,5 h. La
temperatura de calentamiento se encuentra preferiblemente en el
intervalo entre la temperatura de transición vítrea y una
temperatura 5ºC por encima de la temperatura de transición vítrea.
La temperatura de calentamiento se encuentra de forma especialmente
preferida en un intervalo entre 0,5 y 3ºC por encima de la
temperatura de transición vítrea.
Tras alcanzar la temperatura de calentamiento, el
sustrato y el recubrimiento que se encuentra sobre él se mantienen
durante un tiempo determinado en el intervalo de la temperatura de
calentamiento. Este tiempo es preferiblemente de al menos 15 min,
prefiriéndose especialmente de al menos 30 min, por ejemplo de 40 a
45 min. El nivel de la temperatura de mantenimiento es
preferiblemente \pm 3ºC con respecto a la temperatura de
calentamiento.
El paso d) del procedimiento según la invención
comprende el enfriamiento. El enfriamiento hasta por debajo de
aproximadamente 40ºC se realiza dentro de un período de pocos
segundos, de hasta 30 seg. Después del enfriamiento puede retirarse
la pieza polimérica.
Mediante el procedimiento según la invención se
consigue la unión sin adhesivos entre los recubrimientos
poliméricos, preferiblemente en forma de láminas transparentes, y
las placas de sustrato poliméricas estructuradas, preferiblemente
transparentes. Esta unión es estable mecánica y químicamente. El
procedimiento puede llevarse a cabo con temperaturas relativamente
bajas en la proximidad de la temperatura de transición vítrea,
preferiblemente apenas por encima de la temperatura de transición
vítrea. No se generan productos de reacción, de manera que el
procedimiento es extremadamente limpio y biocompatible.
Especialmente no se miden ninguna transparencia disminuida y ninguna
fluorescencia aumentada en los componentes obtenidos de esta manera.
En el caso del uso de materiales de recubrimiento y de sustrato del
mismo tipo se produce un componente que está compuesto por
únicamente un único material, y presenta propiedades ópticas y
eléctricas ventajosas en comparación con los sistemas de varias
componentes. La calidad óptica es tan alta que incluso se pueden
detectar moléculas individuales en los canales de los componentes
con una buena relación señal/ruido.
Otro objeto más de la presente invención es un
componente con estructuras huecas contenidas en él, que se obtiene
mediante el procedimiento descrito anteriormente. Este componente
polimérico contiene preferiblemente como estructuras huecas canales
cerrados, es decir, cerrados hacia arriba, con una anchura o/y
profundidad de 10 nm a 2 mm y se caracteriza porque en el interior,
especialmente en la zona de las estructuras huecas, está
esencialmente o incluso completamente libre de adhesivos y productos
térmicos de reacción. Además, la pieza polimérica se caracteriza por
una unión de toda la superficie en la zona de las superficies de
contacto del sustrato y el recubrimiento, es decir que en la zona de
las estructuras huecas no están presentes volúmenes muertos. La
pieza polimérica puede utilizarse para procedimientos de detección,
especialmente en procedimientos ópticos o/y eléctricos de
detección.
En adelante se describe la invención mediante el
ejemplo subsiguiente.
Una lámina de PMMA
(poli(metilmetacrilato)) se coloca sobre una superficie
dotada de micro o/y nanoestructuras de un bloque de sustrato de
PMMA. Las superficies de las dos piezas están limpias y son lisas.
Las dos piezas se colocan entre dos placas de vidrio planas, que
después se tensan en una prensa. La presión de compresión en la
prensa se encuentra en el intervalo de 0,2 a 20 kg/cm^{2}, por
ejemplo 2 kg/cm^{2}. Toda la unidad se calienta entonces
lentamente en un horno de maleabilización, preferiblemente en un
tiempo de calentamiento de 0,5 a 1,5 h, hasta un valor apenas por
encima de la temperatura de transición vítrea del polímero. En ello,
la temperatura de transición vítrea depende de la velocidad de
calentamiento. La temperatura óptima de unión para la velocidad de
calentamiento mencionada es de 106 \pm 0,5ºC.
A continuación se mantiene la unidad durante un
tiempo de 40 a 45 min a una temperatura de entre 104ºC y la
temperatura óptima de unión. Después tiene lugar un enfriamiento en
el intervalo de los segundos. Después del enfriamiento puede
retirarse la estructura lista del dispositivo.
Según el método descrito en el ejemplo 1 se
produjo un componente de policarbonato. En lo anterior se ha
encontrado que también este material es adecuado para la producción
de componentes con estructuras cerradas de micro y nanocanales.
La temperatura de unión se encontró en el
intervalo entre 150 y 160ºC.
Claims (16)
1. Procedimiento para la producción sin adhesivos
de componentes poliméricos que comprende los pasos:
- a)
- Proporcionar un sustrato polimérico que presente al menos en una superficie cavidades que formen estructuras de micro o/y nanocana- les,
- b)
- Antes del calentamiento, montar a presión un recubrimiento polimérico dotado de una superficie lisa sobre una superficie del sustrato que presente cavidades, por lo demás lisa,
- c)
- Después del paso b) calentar el sustrato con el recubrimiento montado a presión a una temperatura que sea al menos tan alta como la temperatura de transición vítrea del sustrato y del recubrimiento, para su unión y
- d)
- Enfriar a lo largo de un período de hasta 30 seg.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sustrato polimérico y el
recubrimiento polimérico se seleccionan de los polímeros acrílicos,
policarbonatos, poliestirenos, así como copolímeros y mezclas de
ellos.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el sustrato polimérico y el
recubrimiento polimérico s seleccionan de los polímeros acrílicos,
especialmente de los polímeros de poli(metilmetacrilato) o
carbonatos poliméricos.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el sustrato
presenta cavidades con una anchura o/y profundidad en el intervalo
de 10 nm a 2 mm.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el sustrato presenta cavidades con una
anchura o/y profundidad en el intervalo de 100nm a 1 mm.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque el sustrato presenta cavidades con una
anchura o/y profundidad en el intervalo de 1 \mum a 500
\mum.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato
y el recubrimiento se seleccionan de materiales poliméricos del
mismo tipo.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos el
recubrimiento se selecciona de materiales con transparencia
óptica.
9. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la presión de compresión se encuentra en
el intervalo de 1 a 1000 kg/cm^{2}.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la duración
del calentamiento se encuentra en el intervalo de 0,5 a
\hbox{3
h.} 11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
temperatura de calentamiento se encuentra en máximo 5ºC por encima
de la temperatura de transición vítrea.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato
y el recubrimiento que se encuentra sobre él se mantienen durante un
tiempo de al menos 15 min en el intervalo de la temperatura de
calentamiento.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el sustrato y el recubrimiento que se
encuentra sobre él se mantienen durante un tiempo de al menos 30 min
en el intervalo de la temperatura de calentamiento.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 12 ó 13, caracterizado porque la temperatura
de mantenimiento es \pm 3ºC, con respecto a la temperatura de
mantenimiento.
15. Componente polimérico con estructuran huecas
contenidas en él, obtenido diante un procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 14.
16. Uso del procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 14 para la producción de componentes
poliméricos para procedimientos de detección, especialmente para
procedimientos ópticos o/y eléctricos de detección.
Applications Claiming Priority (2)
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