使用粘性图案构建3D纸微流体装置

Summary

我们演示了如何使用图形化的气溶胶粘合剂来构建三维纸微流体装置。的粘合剂的申请表格该方法的层间半永久债券，使单次使用的装置是非破坏性地拆卸使用后，缓解折叠复杂的非平面结构。

Abstract

我们演示了使用图案化气溶胶粘合剂构建平面和非平面 3D 纸质微流控设备。通过金属模板喷涂气溶胶胶粘剂，可以显著减少组装纸质微流体设备中使用的胶粘剂总量。我们在一个简单的 4 层平面纸微流体设备上表明，最佳的胶粘剂应用技术和设备构造样式在很大程度上取决于所需的性能特征。通过适度增加设备的总面积，可以显著减少芯吸时间并提高设备成功率，同时还可以减少将设备固定在一起所需的粘合剂量。这种胶粘剂应用还会导致胶粘剂在纸层之间形成半永久性粘合，而不是永久粘合，从而使一次性设备在使用后能够无损拆卸。非平面 3D 折纸设备也受益于折叠过程中的半永久粘合，因为它降低了不相关的面意外粘在一起的可能性。与平面设备一样，与均匀涂抹的胶粘剂相比，非平面结构使用图案胶粘剂应用可缩短芯吸时间。

Introduction

近年来，造纸微流体已经获得了相当的知名度了它的潜力，提供护理低成本点（POC）诊断设备^1-3 POC设备提供类似的格式允许的结果是那些基于实验室的测试功能获得比较快。从纸做POC设备成本低，重量轻，易于使用的替代昂贵的微流控芯片和微型实验室，使它们非常适合在资源有限的环境中使用。最常见的纸微流体装置是一维的横向流动装置，但平面的三维（3D）纸微流体装置保持承诺提供占用一个小得多的足迹比通过二维装置⁵需要复用诊断装置⁴和相应地使用较小的样品体积。

最初，平面三维纸微流体装置被单独装配，层 - 层的Wi个图案化的纸层用激光切割双面胶带交替。切带层在仔细对准孔被填充有纤维素粉末，以确保层间的流体输送^。4许多替代方法随后开发的，设备的^6-9每改善不同方面。特别是，通过避开粘合剂，设备可以经由与通过外部夹具保持在一起的层折纸技术折叠^。8这消除在诊断试验任何潜在的粘合剂干扰和允许装置被展开后期使用，可能允许更小的样品通过内部显示结果卷。可替代地，通过使用每个纸层之间施加的气溶胶粘合剂，装置的片材可以同时装配，不需费时构图和磁带的对准^。9

然而，通过模版施加气溶胶粘合剂，有可能获得的好处这两种技术。通过模版喷洒粘合剂，只有粘合剂的一小部分被施加到装置中，最小化与层间流体传送的任何潜在干扰。此外，仔细模版选择，粘合剂的图案可以应用的结果在半永久粘接，允许设备使用之后被展开，同时仍然提供足够的层间接触，以允许流体层之间毛细作用。

最后，通过模版施加气溶胶粘合剂简化非平面三维纸微流体装置的结构，通过减少施加到，可能需要频繁的折叠和施工期间展开相邻面的粘合剂的量^。10此外，使用图案化的粘接剂的使设备成为使用更方便储存后展开。预期非平面三维纸微流体装置被用于任务，否则将在平面三维德维克是不可能即， 图1描述了用于构建平面和非平面三维器件的一般处理流程。

Protocol

1.平面4层设备（堆积层）建筑

1. 该装置⁹的每一层上使用固体墨打印机每片滤纸的打印阵列^11,12放置在170℃的加热板上对每次2分钟滤纸。这将熔化蜡类墨水，并允许它充分渗入纸张的厚度，从而形成疏水性的障碍。
   注:使用的具体设计，可作为补充文件。
2. 从热板移除滤纸并让其冷却至室温。
3. 存4微升5毫染料（红色:诱惑红;黄色:柠檬黄;蓝色:罂红钠盐;绿色:10:1混合柠檬黄的:罂红钠盐）层3的每个分支（每个分支一种颜色）（第三使用微量从已完成的器件的顶部层）。
4. 与最底层开始。夹紧模具和僵硬的后盾，如一块玻璃板之间的过滤纸，使用的粘合剂夹S，或其他类似的临时方法。确保模板是针对纸张平整。这将最大限度地减少模板投射到任何纸喷阴影。
5. 用大约1.33秒（在180 BPM四计数）约24厘米喷雾应用粘合剂（见材料和设备列表^）。9,10-在此期间，以中等速度移动越过模板粘合剂的罐。太慢越过模板行进会导致粘合剂积聚在模版本身，堵塞了。过快的旅行将无法在纸张上存入足够的粘性。在此期间，四道次（上下-上下）在防止喷雾阴影足够。
6. 除去模板和该装置的下一层放置（编号的层可作为补充文件）刚喷涂层之上，对准纸张的边缘。用力按下两层一起。
7. 替换模版并重复喷涂工艺的装置的每个层。取下站设备和地点横跨底层的打包带的CK。这是为了防止在设备的任何流体泄漏。使用从薄片上切割单个设备剪刀，继印刷区域的边缘。

2.平面4层设备（折纸折层）建筑

1. 使用固体墨打印机包含设备的所有层在滤纸上打印纸。放置滤纸上，在170℃的热板2分钟。从热板移除滤纸并让其冷却至室温。
   注:使用的具体设计，可作为补充文件。
2. 存4微升5毫染料（红色:诱惑红;黄色:柠檬黄;蓝色:罂红钠盐;绿色:10:1混合柠檬黄的:罂红钠盐）层3的每个分支（每个分支一种颜色）（第三从通过微量完成的器件的顶部）层。
3. 夹住模板和硬后盾，设备之间的板如一块平板玻璃使用binderclips，或其他类似的临时方法。确保模板是针对纸张平整。
4. 用约1.33秒（180 BPM四计数）约24厘米喷涂应用胶粘剂（见的材料和设备清单）。在此期间，四道次（上下-上下）在防止喷雾阴影足够。
5. 删除模板和转板过来。更换模板和喷雾后面的纸边。除去装置的片材，并开始以手风琴褶折叠，如在图1中描绘。用剪刀从片剪下每个设备时，下面的印刷区的边缘。将在底部层包装带。

3.非平面（折纸）设备施工

1. 使用固体墨打印机，并放置在滤纸上的热板上在170℃下进行2分钟的打印设备（ 图2A）在滤纸上。从烤盘删除设备，并允许其冷却至室温。
   注意:所用的确切设计可作为补充文件。
2. 打印折痕图案（ 图2C）上使用固体墨打印机打印纸并切成滤纸的尺寸。放置在170℃下进行2分钟的加热板折痕图案，以熔化蜡，导致图案是从纸张的两侧可见。从热板移除折痕图案并让其冷却至室温。
3. 对准折痕图案到包含信道模式的纸张的边缘的边缘，并使用粘合剂的剪辑，或其他类似的临时方法附上的两张纸。
4. 用钝手写笔跟踪的折痕模式，运用足够的力量将标记出现在设备表上，但不能太硬，折缝花纹纸撕裂。如果发生这种情况，该设备有可能被损坏。 Precreasing使纸更容易地折叠，并允许在折叠更大的准确性和精确度。
5. 首先山区河谷折叠装置根据折痕图案折叠。一旦粘合剂已经应用，整个装置必须装配非常快，所以折叠装置尽可能之前粘合剂的应用是非常有益的。
6. 一旦装置被折叠，展开设备以暴露需要粘合剂的设备的部分。用以限制对设备粘合剂切出口罩（ 图2D）可以应用，用剃刀刀片。
7. 夹紧模具和面具和一个僵硬的后盾，之间的设备，如一块玻璃板。确保模板是对设备持平。用约1.33秒（180 BPM四计数）约24厘米喷涂应用胶粘剂（见名单的材料和设备）。在此期间，四道次（上下-上下）在防止喷雾阴影足够。删除模板和转板过来。更换模板和面具和喷雾后面的纸边。
8. 立即从模板上去除装置，并开始折叠设备。一旦装置被完全折叠时，将压力施加到收容部直到粘合剂已经干燥的粘合剂。
   注:粘合剂的干燥时间是至环境湿度很敏感，因此在低湿度的地方，在湿度受控室折叠允许更多的时间来在设备折叠。

4.排汗试验4层设备

1. 随机选取20个设备，以前按上述协议组装。在一个位置放置的设备从任何风或微风屏蔽，以减少水分蒸发。存40微升水在每个装置的入口。记录它需要对每个设备都有其所有网点完全充满染料的时间。

5.折纸排汗比较

1. 根据上述协议（第3节），以及其他没有粘合剂应用期间使用的模板之一 - 构造两个折纸孔雀。
2. 将小P的一端预习铅（大约5毫米×5厘米长的宽）到每一个孔雀的身体。
3. 放置两个孔雀在保持在高的相对湿度（> 90％），以使蒸发最小化的腔室。将每个孔雀每条腿和铅放入盛有5毫米染料（红:诱惑红，黄:柠檬黄，蓝:罂红二钠盐）的容器。记录芯吸过程用数码相机。

Results

4层设备测试是在一个密封室中进行，不受任何风或微风，可能导致有限的沉积液量的过度蒸发屏蔽他们。多数在4层器件的芯吸的是在该装置的中间层，因此，在芯吸由于蒸发速度差异预计为最小。此外，还有最小的横向芯吸，与入口和任何个别出口之间只有13毫米，这表明在芯吸时间的变化可能是由于垂直，中间层的流体传输。平均芯吸时间和成功率与不同量的施加的粘合剂构成的4层器件示于表1。

在堆叠的器件，均匀的粘接剂覆盖导致相对较高的成功率是降低，因为我们增加粘合剂的量。图形粘合剂covera戈导致非常低的成功率时粘合剂仅施加到一个侧面，但有更高的成功率和更快的芯吸时间，当图案化粘合剂施加到两侧。典型的成功在图3A描绘。这有观察行为几个可能的解释，其中的任何组合可以适用。所施加的粘合剂可以是在物理阻断，部分或完全中，孔在纸张的表面上，从而导致纸层之间​​的更小的有效接触面积。另外，粘合剂本身可以充当另一多孔基材，...

Discussion

上述协议使用穿孔金属板作为模板申请气溶胶粘合剂构建平面和非平面的3D纸微流体装置。在平面器件，这具有使粘合剂不破坏设备已经干燥后的设备是完全展开的优点。在其它基于粘合剂的建筑技术，这几乎是不可能的，尽管某些设计允许部分破坏性拆卸通过unpeeling与可移除的粘合剂保持在一起成两半^。14无胶结构确实允许使用之后被展开设备，但需要定制夹具或外壳每个设备⁸

在与主要横向吸收设备，胶粘剂显著慢排汗。通过图案化粘合剂，施加到芯吸区域粘合剂的量可以显著降低，限制了任何潜在的芯吸的干扰。主要具有垂直芯设备也显示出所造成的粘合剂同样缓慢排汗，尽管在较小的程度。模版能完全阻挡了所有的芯吸区域，限制粘合剂应用到疏水区只，可以消除任何潜在的芯吸的干扰，而且还可能增加相当对准时间到施工过程的设计。

在非平面器件，图案化的粘合剂显着地简化了折叠，作为被施加到纸粘合剂的量减少，使得折叠比具有均匀地涂敷粘接剂层显著容易。纸胶粘剂完全覆盖困难得多折当纸张的不同区域之间的偶然接触会导致粘附性，从而在继续之前必须撤销...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
相机	尼康	D5100
固体墨水打印机	施乐	ColorQube 8880
板	利松	HS60
湿度室	Electro-Tech Systems	5503-E
喷雾胶	3M	62497749309	Super 77（16.75盎司罐）
滤纸	Whatman	4级
穿孔钢板	MetalsDepot	PS16116
柠檬黄	Sigma-Aldritch	T0388
Allura Red	Sigma-Aldritch	458848
艾里奥格劳辛二钠盐	Sigma-Aldritch	861146