Method Article

باستخدام لاصق الزخرفة لانشاء 3D ورقة أجهزة ميكروفلويديك

DOI:

10.3791/53805

⸱

April 1st, 2016

 , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Department of Bioengineering, University of California, Riverside, 3Stem Cell Center, University of California, Riverside

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونحن لشرح استخدام مواد لاصقة الهباء الجوي منقوشة لبناء أجهزة ميكروفلويديك ورقة 3D. هذا الأسلوب من أشكال تطبيق لاصقة السندات شبه دائمة بين الطبقات، مما يمكن الأجهزة تستخدم مرة واحدة لتكون مفككة بعد الاستخدام وتخفيف الهياكل nonplanar معقدة للطي غير المدمر.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نوضح استخدام المواد اللاصقة المطبوعة المزخرفة لبناء أجهزة الموائع الدقيقة ثلاثية الأبعاد للورق المستوي وغير المستوي. عن طريق رش مادة لاصقة من خلال استنسل معدني ، يمكن تقليل الكمية الإجمالية للمادة اللاصقة المستخدمة في تجميع أجهزة الموائع الدقيقة الورقية بشكل كبير. نظهر على جهاز ميكروفلويدي ورقي مستو بسيط مكون من 4 طبقات أن تقنية تطبيق المادة اللاصقة المثلى وأسلوب بناء الجهاز يعتمدان بشكل كبير على خصائص الأداء المطلوبة. من خلال زيادة المساحة الإجمالية للجهاز بشكل معتدل ، من الممكن تقليل وقت الفتيل بشكل كبير وزيادة معدلات نجاح الجهاز مع تقليل كمية المادة اللاصقة المطلوبة للحفاظ على الجهاز معا. يتسبب هذا التطبيق اللاصق أيضا في تكوين المادة اللاصقة روابط شبه دائمة بدلا من الروابط الدائمة بين طبقات الورق ، مما يتيح تفكيك الأجهزة ذات الاستخدام الواحد بشكل غير مدمر بعد الاستخدام. تستفيد أجهزة الأوريغامي 3D غير المستوية أيضا من الروابط شبه الدائمة أثناء الطي ، لأنها تقلل من احتمالية أن تلتصق الوجوه غير ذات الصلة ببعضها البعض عن طريق الخطأ. مثل الأجهزة المستوية ، تشهد الهياكل غير المستوية أوقات فتل أقل مع تطبيق لاصق منقوش مقابل المادة اللاصقة المطبقة بشكل موحد.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في السنوات الأخيرة، وحصل على ورقة على microfluidics شعبية كبيرة لقدرته على توفير نقطة منخفضة التكلفة الرعاية (POC) أجهزة التشخيص. أجهزة POC 1-3 توفر وظائف مماثلة لتلك الاختبارات القائمة على مختبر في شكل يسمح أن تكون النتائج الحصول بسرعة نسبيا. أجهزة POC مصنوعة من الورق هي منخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن، وبدائل سهلة الاستخدام لرقائق ميكروفلويديك مكلفة ومختبرات المنمنمة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في المناطق ذات الموارد المحدودة. الأجهزة ميكروفلويديك الورق الأكثر شيوعا هي الأجهزة تدفق الجانبية ذات بعد واحد، ولكن مستو ثلاثية الأبعاد (3D) ورقة أجهزة ميكروفلويديك تبشر لتوفير الأجهزة التشخيصية المضاعفة 4 أن تناول بصمة أصغر بكثير مما هو مطلوب من قبل جهاز 2D 5 و في المقابل استخدام حجم العينة أصغر.

في البداية، تم تجميع الأجهزة ميكروفلويديك مستو ورقة 3D بشكل فردي، طبقة تلو طبقة وايعشر نمط طبقات الورق بالتناوب مع الشريط على الوجهين قطع الليزر. امتلأت الثقوب الانحياز قطع بعناية في طبقة الشريط مع مسحوق السليلوز لضمان المشتركة بين طبقة نقل السوائل. وقد وضعت 4 وهناك عدد من الطرق البديلة في وقت لاحق، 6-9 كل تحسين جوانب مختلفة من الأجهزة. على وجه الخصوص، بتجنب المواد اللاصقة، ويمكن أن تكون مطوية الأجهزة عبر تقنيات اوريغامي مع الطبقات التي عقدت معا من قبل المشبك الخارجي. 8 وهذا يلغي أي تدخل لاصقة المحتملين في اختبار تشخيصي ويسمح للجهاز أن يكون تكشفت بعد استخدامها، وإمكانية السماح لعينة أصغر أحجام التداول عن طريق عرض النتائج داخليا. بدلا من ذلك، باستخدام لاصق الهباء الجوي المطبق بين كل طبقة ورقة، ورقة من الأجهزة يمكن تجميعها في وقت واحد، دون الزخرفة ومحاذاة الشريط تستغرق وقتا طويلا. 9

ومع ذلك، من خلال تطبيق لاصقة الهباء الجوي من خلال الاستنسل، فمن الممكن الحصول على منفعة منكل من هذه التقنيات. عن طريق الرش لاصقة من خلال الاستنسل، يتم تطبيق سوى جزء من لاصق على الجهاز، والتقليل من أي تشويش محتمل لنقل البينية السائل. بالإضافة إلى ذلك، مع اختيار الاستنسل متأنية، وهو نمط من مادة لاصقة يمكن تطبيقها يؤدي في الرابطة لاصقة شبه دائم، مما يسمح للأجهزة أن تكشفت بعد الاستخدام، في حين لا يزال توفير ما يكفي البينية اتصال للسماح السائل إلى الفتيل بين الطبقات.

وأخيرا، وتطبيق المواد اللاصقة الهباء الجوي من خلال الاستنسل تخفف بناء الأجهزة ميكروفلويديك ورقة 3D nonplanar، عن طريق تقليل كمية من مادة لاصقة تطبيقها على وجوه المجاورة التي قد تتطلب للطي المتكرر وتتكشف خلال بناء 10 وبالإضافة إلى ذلك، واستخدام لاصق منقوشة يتيح الجهاز ليكون تكشفت بعد استخدامها لتخزين أكثر ملاءمة. ومن المتوقع أن يتم استخدامها في مهام التي من شأنها أن يكون الأمر خلاف ذلك مستحيل في ديفيتش مستو 3D أجهزة رقة ميكروفلويديك Nonplanar 3Dه. ويصور الشكل 1 تدفق عملية عام يستخدم لبناء كل من مستو والأجهزة 3D nonplanar.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. مستو 4-طبقة جهاز (طبقات مكدسة) البناء

  1. صفائف طباعة كل طبقة من الجهاز 9 على كل قطعة من ورق الترشيح باستخدام طابعة الحبر الصلب. 11،12 مكان كل ورقة مرشح على موقد في 170 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة. هذا وسوف تذوب القائمة على الحبر الشمع والسماح لها أن تنفذ بالكامل سمك الورق، وتشكيل الحواجز مسعور.
    ملاحظة: هي التصاميم الدقيقة المستخدمة المتاحة كملفات التكميلية.
  2. إزالة ورق الترشيح من موقد والسماح لتبرد لRT.
  3. إيداع 4 ميكرولتر من 5 ملم صبغة (الأحمر: الأحمر Allura، أصفر: التارترازين، الأزرق: erioglaucine ثنائي الصوديوم الملح، أخضر: 10: 1 مزيج من التارترازين: erioglaucine ثنائي الصوديوم الملح) في كل فرع (لون واحد لكل فرع) من طبقة 3 (الثالث طبقة من الجزء العلوي من الجهاز الانتهاء) باستخدام micropipette.
  4. تبدأ من أسفل إلى معظم الطبقة. المشبك ورقة الترشيح بين الاستنسل ودعم قاسية، مثل قطعة من الزجاج لوحة، وذلك باستخدام مقطع الموثقالصورة، أو طريقة مؤقت مماثل آخر. تأكد من أن الاستنسل مسطح ضد الصحيفة. وهذا سيقلل أي الظلال الرش التي أدلت بها الاستنسل على الورق.
  5. تطبيق لاصق (انظر قائمة المواد والمعدات) مع ما يقرب من 1.33 ثانية (عد أربعة في 180 نبضة في الدقيقة) رذاذ من حوالي 24 سم. 9،10 وخلال هذا الوقت، نقل علبة من مادة لاصقة عبر الاستنسل بوتيرة متوسطة. بطيئة جدا السفر عبر الاستنسل سوف تسبب لاصقة تتراكم على الاستنسل نفسها، وانسداد عليه. سريع جدا من السفر ستفشل لإيداع لاصقة كافية على الورق. أربع تمريرات خلال هذه الفترة (من أعلى إلى أسفل، من أعلى إلى أسفل) كافية في منع الظلال رذاذ.
  6. إزالة الاستنسل ووضع الطبقة التالية من الجهاز (هي طبقات مرقمة المتاحة كملفات التكميلية) فوق طبقة رش حديثا، محاذاة حواف الورق. اضغط بقوة طبقتين معا.
  7. استبدال الاستنسل وتكرار عملية الرش في كل طبقة من الجهاز. إزالة ستاالمسيخ الأجهزة ومكان التعبئة الشريط عبر الطبقة السفلى. هذا يمنع أي تسرب السوائل من الجهاز. قطع الأجهزة الفردية من ورقة باستخدام مقص، وبعد حافة منطقة مطبوع.

2. مستو 4-طبقة جهاز (الطبقات اوريغامي مطوية) البناء

  1. أوراق الطباعة التي تحتوي على جميع طبقات من الجهاز على ورق الترشيح باستخدام طابعة الحبر الصلب. وضع ورقة مرشح على موقد في 170 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة. إزالة ورق الترشيح من موقد والسماح لتبرد لRT.
    ملاحظة: هي التصاميم الدقيقة المستخدمة المتاحة كملفات التكميلية.
  2. إيداع 4 ميكرولتر من 5 ملم صبغة (الأحمر: الأحمر Allura، أصفر: التارترازين، الأزرق: erioglaucine ثنائي الصوديوم الملح، أخضر: 10: 1 مزيج من التارترازين: erioglaucine ثنائي الصوديوم الملح) في كل فرع (لون واحد لكل فرع) من طبقة 3 (الثالث طبقة من الجزء العلوي من الجهاز الانتهاء) عن طريق micropipette.
  3. المشبك ورقة من الأجهزة بين الاستنسل ودعم قاسية، مثل قطعة من الزجاج لوحة، وذلك باستخدام binderclips، أو طريقة مؤقت مماثل آخر. تأكد من أن الاستنسل مسطح ضد الصحيفة.
  4. تطبيق لاصق (انظر قائمة المواد والمعدات) مع ما يقرب من 1.33 ثانية (عد أربعة في 180 نبضة في الدقيقة) رذاذ من حوالي 24 سم. أربع تمريرات خلال هذه الفترة (من أعلى إلى أسفل، من أعلى إلى أسفل) كافية في منع الظلال رذاذ.
  5. إزالة الاستنسل وتحويل ورقة انتهى. استبدال الاستنسل ورش الجانب الخلفي من الورقة. إزالة ورقة من الأجهزة وتبدأ للطي في طوى الأكورديون، كما هو مبين في الشكل 1. قطع كل جهاز من من ورقة باستخدام مقص، وبعد حافة منطقة مطبوع. ضع الشريط التعبئة عبر الطبقة السفلى.

3. Nonplanar (اوريغامي) بناء الأجهزة

  1. جهاز الطباعة (الشكل 2A) على ورق الترشيح باستخدام طابعة الحبر الصلبة ووضع ورقة الترشيح على طبق ساخن في 170 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة. إزالة الجهاز من موقد والسماح لتبرد لRT.
    ملاحظة:كما تتوفر ملفات تكميلية التصاميم الدقيقة المستخدمة.
  2. نمط الطباعة (الشكل 2C) على ورق الطابعة باستخدام طابعة الحبر الصلب وقطع لحجم ورقة الترشيح تجعد. وضع نمط تجعد على موقد في 170 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة، لإذابة الشمع، مما تسبب في نمط لتكون مرئية من كلا وجهي الورقة. إزالة نمط تجعد من موقد والسماح لتبرد لRT.
  3. محاذاة حواف نمط تجعد على حواف الورق التي تحتوي على أنماط قناة ونعلق قطعتين من الورق باستخدام مقاطع الموثق، أو طريقة مؤقت مماثل آخر.
  4. تتبع نمط تجعد مع القلم حادة، وتطبيق ما يكفي من القوة أن تظهر علامات على ورقة الجهاز، ولكن ليس من الصعب جدا أن ورقة نمط تجعد مزقت. وإذا حدث ذلك، فإن الجهاز مخاطر التلف. يسبب Precreasing ورقة لأضعاف أكثر سهولة، ويسمح لقدر أكبر من الدقة والإحكام في للطي.
  5. تبدأ للطي الجهاز مع الجبل والواديطيات وفقا للنمط تجعد. مرة واحدة وقد تم تطبيق لاصقة، لا بد من تجميع الجهاز بأكمله بسرعة كبيرة، لذلك للطي الجهاز إلى أقصى حد ممكن قبل تطبيق لاصقة مفيد جدا.
  6. مرة واحدة يتم طي الجهاز، تتكشف جهاز لكشف أجزاء من الجهاز التي تتطلب لاصقة. قطع الأقنعة (الشكل 2D) التي تحد من حيث على لاصق جهاز يمكن تطبيقها، وذلك باستخدام شفرة حلاقة.
  7. المشبك الجهاز بين الاستنسل وقناع ودعم قاسية، مثل قطعة من الزجاج لوحة. تأكد من أن الاستنسل مسطح ضد الجهاز. تطبيق لاصق (انظر المواد والمعدات القائمة) مع ما يقرب من 1.33 ثانية (عد أربعة في 180 نبضة في الدقيقة) رذاذ من حوالي 24 سم. أربع تمريرات خلال هذه الفترة (من أعلى إلى أسفل، من أعلى إلى أسفل) كافية في منع الظلال رذاذ. إزالة الاستنسل وتحويل ورقة انتهى. استبدال الاستنسل وقناع ورش الجانب الخلفي من الورقة.
  8. على الفور إزالة الجهاز من الاستنسل وتبدأ للطيجهاز. مرة واحدة يتم طي الجهاز بشكل كامل، والضغط لاصقة تحتوي على جزء حتى يجف لاصقة.
    ملاحظة: وقت التجفيف لاصقة حساسة للغاية للرطوبة الجو المحيط، وذلك في مواقع ذات الرطوبة المنخفضة، قابلة للطي في غرفة التحكم الرطوبة تسمح لمزيد من الوقت لاضعاف الجهاز.

4. فتل اختبار لأجهزة 4-طبقة

  1. عشوائيا اختيار 20 الأجهزة، التي سبق تجميعها وفقا للبروتوكولات أعلاه. مكان الأجهزة في موقع محمية من أي الرياح أو النسائم لتقليل التبخر. إيداع 40 ميكرولتر المياه في مدخل كل جهاز. تسجيل الوقت المستغرق لكل جهاز لديك كل منافذها وليس صحيحا تماما مع الصبغة.

5. اوريغامي فتل مقارنة

  1. بناء اثنين الطاووس اوريغامي - واحد وفقا لبروتوكول أعلاه (القسم 3)، والآخر من دون استخدام الاستنسل خلال تطبيق لاصقة.
  2. إدراج واحدة من نهاية ص صغيرأبر الرصاص (حوالي 5 ملم واسعة من قبل 5 سم طويلة) في جسد كل الطاووس.
  3. وضع كل من الطاووس في غرفة حافظ على رطوبة نسبية عالية (> 90٪) لتقليل التبخر. وضع كل ساق والرصاص من كل الطاووس في وعاء مملوء 5 ملي صبغ (الأحمر: الأحمر Allura، أصفر: التارترازين والأزرق: erioglaucine ثنائي الصوديوم الملح). سجل عملية فتل مع كاميرا رقمية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأجريت اختبارات جهاز 4-طبقة في غرفة مغلقة، يحميهم من أي الرياح أو النسمات التي قد تتسبب في تبخر الزائد من حجم السائل المودعة محدودة. الغالبية العظمى من فتل في الأجهزة 4-طبقة في طبقات وسطى من الجهاز، لذلك كان من المتوقع أن يكون الحد الأدنى الاختلافات في فتل بسرعة بسبب التبخر. بالإضافة إلى ذلك، هناك الحد الأدنى من فتل الجانبية، مع ملم فقط 13 بين مدخل ومخرج أي فرد، مما يوحي بأن الاختلافات في أوقات فتل من المحتمل بسبب الرأسي، نقل البينية السائل. يتم عر...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

البروتوكولات المذكورة أعلاه تستخدم صفائح معدنية مثقبة كما الإستنسل لتطبيق المواد اللاصقة الهباء الجوي لبناء مستو والأجهزة رقة ميكروفلويديك 3D nonplanar. في أجهزة مستو، وهذا له ميزة السماح للأجهزة لتكون تكشفت تماما بعد تجفيفها لاصقة دون تدمير الجهاز. في تقنيات البناء الأخرى استنادا لاصقة، وهذا يكاد يكون من المستحيل، على الرغم من بعض التصاميم تسمح التفكيك مدمر جزئيا من قبل unpeeling نصفين عقد مع مادة لاصقة قابلة للإزالة. 14 بناء Adhesiveless لا تسمح الأجهزة أن تكشفت بعد ا...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويؤيد هذا العمل من قبل صندوق من كلية BOURNS الهندسة من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد. تلقى BK على منحة دراسية من الجائزة التذكارية تساي الرئة ون في التصميم الميكانيكي.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
كاميرانيكونD5100
طابعة بالحبرXeroxColorQube 8880
HotplateTorrey PinesHS60
غرفة الرطوبةأنظمة Electro-Tech5503-E
رذاذ لاصق3M62497749309Super 77 (علبة 16.75 أونصة)
ورق ترشيحWhatmanGrade 4
صفائح الصلب المثقبةمستودعPS16116
TartrazineSigma-AldritchT0388
Allura RedSigma-Aldritch458848
ملح Erioglaucine ثنائي الصوديومSigma-Aldritch861146
الصلب

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 11301-11313 (2012).
  2. Yetisen, A. K., Akram, M. S., Lowe, C. R. Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab Chip. 13, 2210-2251 (2013).
  3. Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal Chem. 87, 19-41 (2015).
  4. Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 19606-19611 (2008).
  5. Fu, E., Ramsey, S. A., Kauffman, P., Lutz, B., Yager, P. Transport in two-dimensional paper networks. Microfluid Nanofluidics. 10, 29-35 (2011).
  6. Govindarajan, A. V., Ramachandran, S., Vigil, G. D., Yager, P., Bohringer, K. F. A low cost point-of-care viscous sample preparation device for molecular diagnosis in the developing world; an example of microfluidic origami. Lab Chip. 12, 174-181 (2012).
  7. Schilling, K. M., Jauregui, D., Martinez, A. W. Paper and toner three-dimensional fluidic devices: programming fluid flow to improve point-of-care diagnostics. Lab Chip. 13, 628-631 (2013).
  8. Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J Am Chem Soc. 133, 17564-17566 (2011).
  9. Lewis, G. G., DiTucci, M. J., Baker, M. S., Phillips, S. T. High throughput method for prototyping three-dimensional, paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 12, 2630-2633 (2012).
  10. Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14, 4354-4361 (2014).
  11. Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Anal Chem. 81, 7091-7095 (2009).
  12. Lu, Y., Shi, W., Jiang, L., Qin, J., Lin, B. Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay. Electrophoresis. 30, 1497-1500 (2009).
  13. Maekawa, J. Genuine Japanese origami. , Dover Publications, Inc.. Dover edition (2012).
  14. Schonhorn, J. E., et al. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14, 4653-4658 (2014).
  15. Guan, J. J., He, H. Y., Hansford, D. J., Lee, L. J. Self-folding of three-dimensional hydrogel microstructures. J Phys Chem B. 109, 23134-23137 (2005).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Paper Microfluidic DevicesAdhesive PatterningAerosol AdhesivePlanar DevicesNonplanar DevicesWicking TimeDevice AssemblyFluid RoutingCrease PatternSemi Permanent Bonds

Related Articles