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Download Estudo e otimizao de estruturas em PDMS para ... Jorge Teixeira de Sousa Estudo e otimizao de estruturas em PDMS para dispositivos microfludicos Paulo Jorge Teixeira de Sousa UMinho

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  • Paulo Jorge Teixeira de Sousa

    Estudo e otimizao de estruturas emPDMS para dispositivos microfludicos

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    Universidade do MinhoEscola de Engenharia

  • Setembro de 2011

    Tese de MestradoMestrado em Micro/Nano Tecnologias

    Trabalho efectuado sob a orientao daProfessora Doutora Graa Maria Henriques Minas

    e co-orientao deProfessor Doutor Senentxu Lanceros-Mendez

    Paulo Jorge Teixeira de Sousa

    Estudo e otimizao de estruturas emPDMS para dispositivos microfludicos

    Universidade do MinhoEscola de Engenharia

  • III

    Agradecimentos

    O objetivo desta dissertao de mestrado foi conseguido fruto do trabalho de vrios

    intervenientes, entre eles a minha orientadora Dr. Graa Minas e o meu co-orientador

    Dr. Senentxu Lanceroz a quem quero deixar os meus sinceros agradecimentos pela

    dedicao e ensinamentos disponibilizados. Para alm disso gostaria de agradecer o

    facto de terem aceitado supervisionar o trabalho desenvolvido por mim.

    Em segundo lugar gostaria de agradecer aqueles que contriburam de forma direta ou

    indireta para a realizao deste trabalho. Entre eles posso enumerar a aluna de

    Doutoramento Vanessa Cardoso do Departamento de Eletrnica Industrial da

    Universidade do Minho, o Professor Lus Rocha e a aluna de Doutoramento Alexandra

    Seplveda do Departamento de Engenharia de Polmeros da Universidade do Minho e o

    Nuno Oliveira do Centro de Investigao 3B`s pela ajuda disponibilizada na

    caracterizao das estruturas em PDMS. Tambm estimo a gentileza dos alunos do

    Departamento de Fsica e de Eletrnica Industrial da Universidade do Minho pela

    simpatia e amizade demonstrada no decurso do trabalho.

    Por fim tenho muito a agradecer aos meus pais e irmos que sempre me deram fora

    e sem o apoio deles este trabalho no era alcanado.

  • IV

  • V

    Estudo e otimizao de estruturas em PDMS para dispositivos microfludicos

    Resumo

    O uso de elastmeros tem atrado o interesse de investigadores no desenvolvimento

    de sistemas microeletromecnicos e componentes microfludicos para aplicaes

    biomdicas. O polidimetilsiloxano, mais vulgarmente conhecido por PDMS, um

    exemplo desses materiais. O extenso conhecimento deste material, aliado ao seu baixo

    custo e a outras caractersticas como facilidade de fabrico, flexibilidade,

    biocompatibilidade, transparncia tica, entre outras, permitiram a sua utilizao numa

    diversificada gama de aplicaes. Aplicaes essas que vo desde nanogeradores de

    energia at dispositivos mdicos, bem como aplicaes microfludicas funcionando

    como microvlvulas, micromisturadores e microbombas.

    O interesse do grupo de investigao na rea da microfludica, juntamente com as

    propriedades apresentadas por este material, estimularam o objetivo desta dissertao de

    mestrado. O trabalho implicou o desenvolvimento de toda a instalao experimental e a

    otimizao do processo de fabrico do PDMS direccionado para estruturas

    microfludicas. Para tal, avaliaram-se as diferentes fases do processamento como a

    mistura, a desgasificao e a cura. Alm disso, verificou-se o efeito da alterao das

    variveis do processo de fabrico como a proporo base do pr-polmero/agente de cura,

    o tempo e a temperatura de cura. O mdulo de elasticidade foi quantificado por testes de

    trao para avaliar a influncia de cada um destes fatores. A segunda parte do trabalho

    centrou-se na ligao de estruturas em PDMS recorrendo-se ligao por cura parcial,

    descarga corona e plasma de oxignio. Para alm disso avaliou-se a evoluo dos

    ngulos de contacto de amostras de PDMS quando sujeitas a tratamento com plasma de

    oxignio. Por fim, mediu-se a transmitncia das amostras de PDMS.

    As estruturas microfludicas fabricadas a partir de moldes em SU-8 e acrlico

    mostraram ser reprodutveis, tendo-se obtido canais lisos e sem obstrues, o que

    demonstra o enorme potencial deste mtodo no desenvolvimento futuro de dispositivos

    para aplicaes em reas como Biomdica, Biotecnologia e Anlises (Bio)Qumicas.

  • VI

  • VII

    Study and optimization of PDMS structures for microfluidic devices

    Abstract

    The use of elastomers has attracted the interest of researchers in the development of

    Microelectromechanical Systems (MEMS) and microfluidic components for biomedical

    applications. Polydimethylsiloxane, more commonly known as PDMS, is an example of

    these materials. The extensive knowledge on this material combined with its low cost

    and other characteristics such as ease of manufacture, flexibility, biocompatibility,

    optical transparency, among others, allowed it to be implemented in a diverse range of

    applications. These applications range from energy nanogenerators, medical devices and

    microfluidic applications functioning as microvalves, micropumps and micromixers.

    The research group's interest in the field of microfluidics allied with the properties

    displayed by this material stimulated the purpose of this dissertation. The work involved

    the assembly of the experimental setup and the optimization of PDMS microfluidic

    structures fabrication process. To this end, the different stages of processing such as

    mixing, degassing and curing were evaluated. In addition, the effect of manufacturing

    variables, such as pre-polymer base/curing agent ratio, time and temperature of curing

    were analyzed. The Young modulus was determined by tensile tests to evaluate the

    influence of these factors. The second part of the work focused on the bonding of

    different PDMS structures using techniques such as partial cure, corona discharge and

    oxygen plasma. In addition, the evolution of contact angles of PDMS samples when

    subjected to treatment with oxygen plasma were evaluated. Finally, the transmittance of

    PDMS samples were measured.

    The PDMS microfluidic structures fabricated from SU-8 and acrylic molds shown to

    be reproducible, obtaining smooth and unobstructed channel, which demonstrates the

    large potential of this method in the development of devices for applications in areas

    such as Biomedical, Biotechnology and Chemical Analysis.

  • VIII

  • IX

    ndice

    Agradecimentos ........................................................................................................ III

    Resumo ....................................................................................................................... V

    Abstract ................................................................................................................... VII

    ndice de imagens ...................................................................................................... XI

    Lista de Acrnimos e Termos ................................................................................. XV

    Captulo 1: Introduo ............................................................................................... 1

    1.1. Estado da arte ............................................................................................................ 3

    1.2. Objetivos ................................................................................................................... 4

    1.3. Descrio do trabalho ................................................................................................ 4

    1.4. Contribuio deste trabalho ........................................................................................ 4

    1.5. Organizao da dissertao ........................................................................................ 5

    Captulo 2: PDMS (Polidimetilsiloxano) .................................................................... 7

    2.1. PDMS e sua estrutura ................................................................................................ 9

    2.2. Propriedades do PDMS .............................................................................................. 9

    2.2.1. Propriedades gerais do PDMS ................................................................................ 9

    2.2.2. Propriedades Mecnicas de PDMS ....................................................................... 13

    2.2.3. Propriedades ticas do PDMS .............................................................................. 14

    2.2.4. Biocompatibilidade do PDMS .............................................................................. 14

    2.3. Processos de fabrico de estruturas em PDMS ........................................................... 15

    2.3.1. Litografia suave ................................................................................................... 16

    2.3.2. Obteno do molde .............................................................................................. 19

    2.3.3. Processamento do PDMS ..................................................................................... 21

    2.3.4. Efeito da alterao das variveis no processo de fabrico do PDMS ....................... 24

    2.3.5. Formas de ligao/modificao de superfcie ....................................................... 26

    2.4. Aplicaes do PDMS em microfludica.....................

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