使用粘性图案构建3D纸微流体装置
April 1st, 2016
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。
该技术的总体目标是创建平面和非平面三维纸质微流体装置，这些装置能够在施工过程中和使用后通过气溶胶粘合剂的图案化展开。这种方法通过消除以前阻止研究人员在普通通道网络之外制造的限制，为纸张微流体开辟了一个全新的设计空间。该技术的主要优点是它显着减少了造纸微流体器件制造过程中应用的粘合剂量，并且能够构建非平面三维纸质微流体电路。
首先，使用固体墨水打印机将设备的每一层的数组打印到滤纸上。将每张滤纸放在 170 摄氏度的热板上两分钟，以熔化蜡基油墨，并使其完全渗透到纸张中，形成疏水屏障。纸张冷却后，使用微量移液器在第 3 层的每个分支中加入不同的染料颜色。
四微升 5 毫摩尔染料的等分试样就足够了。现在，开始施工。首先，夹住模板和硬背衬（如一块平板玻璃）之间的最底层。
确保模板与纸张平齐，以最大程度地减少喷涂阴影。然后，将节拍器设置为每分钟 180 次，并从大约 24 厘米远的地方喷涂粘合剂四次。以 4 次均匀的动作在模板上移动罐子。
如果罐子移动得太慢，胶粘剂会积聚在模板本身上，堵塞模板。如果罐子移动得太快，则不会应用足够的粘合剂。接下来，取下模板并将设备的下一层放在新喷涂的层上，小心地将它们对准边缘。
将各层牢牢压在一起。然后，再次喷涂胶粘剂。继续此过程，直到所有层都紧密粘附。
在四层堆栈上，在底层贴一条包装胶带，以防止液体泄漏。然后，可以按照打印的图案从堆栈中切割单个器件。与前面的步骤一样，使用固体墨水打印机将设备打印到滤纸上，并在 170 摄氏度的热板上熔化墨水 2 分钟。
对于此过程，也要以相同的方式打印折痕图案，但要在普通打印纸上打印。打印件冷却后，将折痕图案的线条与通道图案的边缘对齐。然后，使用胶带固定它们。
接下来，使用钝笔描摹折痕图案。施加足够的力在设备说明书上做标记，但不要撕裂纸张。如果发生撕裂，请重新开始。
这种预压痕技术提高了折叠的准确性和精密度。现在，根据折痕图案开始使用山脉和山谷折叠来折叠设备。在涂覆胶粘剂之前折叠有助于加快设备组装速度。
折叠后，展开它以露出需要粘合剂的部分。然后，用刀片切出口罩以限制粘合剂的应用位置。现在，将设备平放在带有掩模和硬背衬的模板之间。
使用节拍器超时 1.3 秒，然后像以前一样涂抹粘合剂。如果环境湿度较低，请将胶粘剂涂抹在湿度受控的区域，以免胶粘剂过快干燥。接下来，取下模板和蒙版，然后将纸张翻转过来。
然后，以相同的方式喷涂纸张的背面。立即从模板中取出设备并开始折叠设备。设备完全折叠后，对含粘合剂的部分持续施加压力，直到其干燥。
要对四层器件执行芯吸测试，请随机选择 20 个器件。将设备放置在不受气流影响的地方，以尽量减少蒸发。然后，在每个设备的入口处沉积 40 微升水。
记录每个设备的所有出口完全充满染料所需的时间。对于折纸设备，比较两个折纸孔雀，一个如前所述制作，另一个在涂抹粘合剂时不使用模板制作。然后，将小纸芯的一端插入孔雀的身体。
在受控的相对湿度下，将每只孔雀的每条腿和纸铅放入装满 5 毫摩尔染料的容器中。比较了用不同量的胶粘剂构建的四层装置的平均芯吸时间和成功率。均匀的胶粘剂覆盖率导致相对较高的成功率，成功率随着胶粘剂数量的增加而降低。
当图案胶粘剂涂覆到两侧时，成功率也比只涂一侧快，而且芯吸时间更快。当胶粘剂仅涂覆于一侧时，故障发生的频率更高。典型的叠层设备故障的特点是出口未能完全填充染料或填充时间超过 5 分钟。
在折纸折叠装置中，装置故障的特征是出口无法填充任何数量的染料。这些出口仅位于包含折痕的设备的两个边缘。通过将通道周围的边框尺寸增加一倍，单面和双面胶粘剂应用的成功率都提高了。
这两种胶粘剂应用方法都使设备成功地将液体输送到其通道的长度，并且不会混合。然而，使用均匀涂覆胶粘剂的设备明显变慢。在尝试此程序时，确保均匀一致的胶粘剂应用非常重要。
请注意，气雾剂胶粘剂只能涂抹在通风良好的地方。观看此视频后，您应该对如何应用和使用图案胶粘剂来构建平面和非平面 3D 纸张微流控设备有很好的了解。这项技术将使研究人员能够探索使用非平面结构来实现以前在平面设备中不存在的功能，例如集成驱动和传感。
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概述
本研究展示了一种使用图案化气溶胶粘合剂构建三维纸质微流控装置的新颖技术。该方法允许创建平面和非平面结构，便于使用后无损分解。
研究的关键组成部分
科学领域
- 微流控
- 材料科学
- 生物医学工程
背景
- 传统的纸质微流控制造方法受限于粘合剂的应用。
- 使用现有技术创建非平面结构一直具有挑战性。
- 图案化气溶胶粘合剂可以显著减少粘合剂的使用。
- 这种方法为研究人员开辟了新的设计可能性。
研究目的
- 开发一种创建3D纸质微流控装置的方法。
- 在构建和使用后实现装置的展开。
- 提高纸质微流控的设计灵活性。
使用的方法
- 使用固体墨水打印机将装置的层次打印到滤纸上。
- 在热板上加热打印的纸张以融化基于蜡的墨水。
- 让墨水渗透纸张，形成疏水屏障。
- 使用微量移液器将不同颜色的染料引入装置的分支。
主要结果
- 该技术允许构建非平面的3D电路。
- 实现了显著减少粘合剂的使用。
- 使用后装置可以轻松拆卸而不会被破坏。
- 为纸质微流控建立了新的设计空间。
结论
- 图案化气溶胶粘合剂为3D微流控提供了一种多功能方法。
- 这种技术提高了纸质装置的功能性和可用性。
- 未来的研究可以探索该方法的更多应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Patterned aerosol adhesive application enables the construction of 3D paper microfluidic devices with reduced material usage and non-destructive disassembly, supporting rapid prototyping in early-stage assay development. This approach addresses scalability and reproducibility challenges in paper-based diagnostic platforms by allowing precise control over fluidic pathways and device integrity. The technique facilitates iterative design testing without permanent bonding, lowering material waste and accelerating preclinical evaluation of microfluidic concepts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional testing of hydrophilic channel networks for reagent transport and mixing in paper-based biosensors.
- Operational Value: Reduces adhesive consumption during prototyping, lowering material costs for high-volume design iterations.
- Predictive Value: Supports assessment of wicking dynamics and fluid routing efficiency critical for lateral flow assay performance.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Allows creation of multi-layered paper devices with defined fluidic paths for parallel sample processing.
- Operational Value: Facilitates alignment and stacking of printed layers through semi-permanent bonds, improving assembly reproducibility.
- Scalability: Patterned adhesive application reduces clogging risks and enables uniform coating across large device arrays.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports evaluation of dye-based readouts in origami-folded devices for point-of-care detection scenarios.
- Operational Value: Enables non-destructive disassembly after use, allowing component recovery and failure analysis.
- Translational Continuity: Demonstrates how adhesive patterning improves device success rates by minimizing unintended bonding in complex folds.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the early discovery to assay optimization continuum, where rapid prototyping of fluidic architectures informs downstream diagnostic design decisions.
- Discovery Biology: Tests hydrophilic channel designs for biomarker capture and reagent interaction without permanent device fixation.
- Screening: Enables standardized fluid delivery across multiple outlets via controlled wicking times and success rate metrics.
- Analytics: Provides quantitative dye-based readouts to assess fluid penetration and mixing avoidance in branched networks.
- Translational Research: Demonstrates how increased border width around channels improves success rates for both single and double-sided adhesive applications.
- Enterprise Reuse: Positions patterned adhesive application as a reusable platform technique adaptable across various paper microfluidic designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enables precise fluid routing and minimizes cross-talk between adjacent channels in paper-based systems.
- Operational Value: Reduces adhesive waste and prevents stencil clogging through controlled spray timing and motion.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions on device geometry by correlating adhesive patterning with wicking speed and outlet filling reliability.
- Portfolio Impact: Accelerates design validation cycles by allowing non-destructive disassembly and reuse of components for failure analysis.
Implementation Considerations
- Requires expertise in wax-based ink printing and thermal patterning to form hydrophobic barriers.
- Needs metronome-controlled aerosol spraying equipment for consistent adhesive deposition.
- Demands alignment precision during layer stacking and origami folding to maintain channel integrity.
- Requires environmental humidity control to prevent premature adhesive drying during application.
- Limited by paper substrate porosity, which influences wicking times and dye-based detection sensitivity.
