Mit Adhesive Patterning 3D Paper Mikrofluidik-Vorrichtungen bauen

Summary

Wir demonstrieren die Verwendung von gemusterten Aerosol Klebstoffe 3D Papier mikrofluidischen Vorrichtungen bauen. Diese Methode der Klebstoffapplikationsformen semipermanenten Verbindungen zwischen Schichten, Einwegvorrichtungen ermöglicht nach dem Gebrauch zerstörungsfrei demontiert und Faltung komplexer nichtplanare Strukturen zu erleichtern.

Abstract

Wir demonstrieren die Verwendung von gemusterten Aerosolklebstoffen, um sowohl planare als auch nicht-planare mikrofluidische 3D-Papiergeräte zu konstruieren. Durch das Sprühen eines Aerosolklebstoffs durch eine Metallschablone kann die Gesamtmenge an Klebstoff, die bei der Montage von mikrofluidischen Papiergeräten verwendet wird, erheblich reduziert werden. Wir zeigen an einem einfachen 4-lagigen flächigen Papiermikrofluidikgerät, dass die optimale Klebstoffauftragstechnik und der Baustil des Geräts stark von den gewünschten Leistungsmerkmalen abhängen. Durch eine moderate Vergrößerung der Gesamtfläche eines Geräts ist es möglich, die Dochtzeit drastisch zu verkürzen und die Erfolgsraten des Geräts zu erhöhen, während gleichzeitig die Menge an Klebstoff reduziert wird, die erforderlich ist, um das Gerät zusammenzuhalten. Ein solcher Klebstoffauftrag bewirkt auch, dass der Klebstoff semi-permanente Verbindungen anstelle von dauerhaften Verbindungen zwischen Papierschichten bildet, wodurch Einweggeräte nach Gebrauch zerstörungsfrei zerlegt werden können. Nichtplanare 3D-Origami-Geräte profitieren ebenfalls von den semi-permanenten Bindungen während des Faltens, da sie die Wahrscheinlichkeit verringern, dass nicht zusammenhängende Flächen versehentlich zusammenkleben. Wie bei planaren Geräten sind auch bei nichtplanaren Strukturen die Dochtzeiten bei gemustertem Klebstoffauftrag im Vergleich zu gleichmäßig aufgetragenem Klebstoff verkürzt.

Introduction

In den letzten Jahren hat sich Papier Mikrofluidik beträchtliche Popularität für seine potenziellen sammelte Low-Cost - Point of Care (POC) Diagnosegeräte zur Verfügung zu stellen. ^1-3 POC - Geräte - Funktionalität bieten , die denen von Lab-basierten Tests in einem Format , das Ergebnisse erlaubt sein relativ schnell erhalten. POC-Geräte aus Papier sind kostengünstig, leicht und einfach zu bedienende Alternative zu teuren Mikrofluidik-Chips und miniaturisierten Labore sind sie ideal für die Herstellung von in begrenzten Ressource-Einstellungen. Die am häufigsten verwendeten Papier Mikrofluidik - Vorrichtungen sind eindimensionale Lateral - Flow - Geräte, aber planare dreidimensionale (3D) Papier mikrofluidischen Geräte halten versprechen ⁴ Multiplex - Diagnose - Geräte zur Verfügung zu stellen , die einen deutlich geringeren Platzbedarf aufnehmen , als dies durch eine 2D - Gerät erforderlich ⁵ und entsprechend ein kleineres Probenvolumen.

Zunächst wurden planare 3D-Papier mikrofluidischen Vorrichtungen individuell zusammengestellt, Schicht-für-Schicht with gemusterten Papierschichten mit lasergeschnittenen doppelseitigen Klebeband abwechseln. Sorgfältig ausgerichtet in der Bandschicht geschnitten wurden Löcher mit Cellulosepulver gefüllten Zwischenschichtfluidtransport zu gewährleisten. ⁴ eine Anzahl von alternativen Verfahren wurden anschließend entwickelt, ^6-9 jeweils die Verbesserung der verschiedenen Aspekte der Geräte. Insbesondere durch Klebstoffe eschewing könnten Geräte über origami Techniken mit Schichten miteinander durch eine äußere Klammer gehalten gefaltet werden. ^8. Dies beseitigt eine mögliche Klebstoff Interferenz in einem diagnostischen Test und ermöglicht es dem Gerät ungefalteten post-Anwendung sein, die möglicherweise so dass auch kleinere Proben Volumina von intern Ergebnissen. Alternativ kann durch eine Aerosol Klebstoff zwischen den einzelnen Papierschicht aufgebracht Verwendung Blätter von Vorrichtungen zusammengesetzt gleichzeitig, ohne zeitraubende Strukturierung und Ausrichtung des Bandes werden könnte. ⁹

Jedoch durch ein Aerosolklebstoff durch eine Schablone angewendet wird, ist es möglich, den Vorteil zu gewinnen,beide dieser Techniken. Durch Aufsprühen des Klebstoffs durch eine Schablone, nur ein Bruchteil des Klebstoffs auf das Gerät angewendet, jede mögliche Störung Zwischenfluidübertragung zu minimieren. Zusätzlich mit einer sorgfältigen Auswahl Schablone kann ein Muster von Kleber aufgebracht werden, dass die Ergebnisse in semi-permanente Klebeverbindung, so dass Geräte nach Gebrauch aufgefaltet zu werden, während noch eine ausreichende Zwischenschichtkontakt Bereitstellen Fluid zu ermöglichen, zwischen den Schichten zu Docht.

Schließlich erleichtert die Anwendung Aerosol Klebstoffe durch eine Schablone , die den Aufbau nichtplanare 3D Papier mikrofluidischen Vorrichtungen, indem die Menge des Klebstoffs zu minimieren , um benachbarte Flächen aufgebracht , die häufige Faltung erfordern und Entfalten während des Baus. ¹⁰ Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von gemusterten Klebevorrichtung sein für bequemere Lagerung nach Gebrauch entfaltet. Nichtplanare 3D Papier mikrofluidischen Geräte werden voraussichtlich für Aufgaben verwendet werden, die sonst in einem planaren 3D devic unmöglich wäre,e. 1 zeigt den allgemeinen Ablauf Verfahren verwendet , um sowohl planare und nicht planare 3D - Geräte zu konstruieren.

Protocol

1. Planar 4-Schicht-Gerät (gestapelter Schichten) Bau

1. Print - Arrays von jeder Schicht der Vorrichtung ⁹ auf jedes Stück Filterpapier einen festen Tintendrucker. ^11,12 Platzieren Sie jede Filterpapier auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min. Dadurch wird die wachsbasierte Tinte schmelzen und völliges Erstarrenlassen die Dicke des Papiers zu durchdringen und bilden hydrophobe Barrieren.
   Hinweis: Die genauen Designs verwendet sind als Zusatzdateien.
2. Entfernen Filterpapier von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen.
3. Kaution 4 ul 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz, grün: 10: 1-Mischung von Tartrazin: Erioglaucin Dinatriumsalz) in jedem Zweig (eine Farbe pro Zweig) der Schicht 3 (dritte Schicht von der Oberseite des fertiggestellten Vorrichtung) mit einer Mikropipette.
4. Beginnen Sie mit der untersten Schicht. Spannen Sie das Filterpapier zwischen der Schablone und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas, Binder-Clip mits, oder eine andere ähnliche temporäre Methode. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier ist. Dadurch werden alle Sprühschatten durch die Schablone auf das Papier geworfen zu minimieren.
5. Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste der Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) Spray von etwa 24 cm. ^9,10 Während dieser Zeit bewegen , um die Dose Klebstoff über die Schablone auf einem mittleren Tempo. Zu langsam über die Schablone der Reise verursacht Klebstoff auf der Schablone selbst zu sammeln, sie zu verstopfen. Zu schnellen Reise fehl ausreichend Klebstoff auf das Papier aufzubringen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern.
6. Entfernen Sie Schablone und legen Sie die nächste Schicht der Vorrichtung (nummerierte Schichten sind als Zusatzdateien) oben auf dem frisch Schicht gesprüht, um die Kanten des Papiers ausrichten. Drücken Sie mit den beiden Schichten zusammen.
7. Ersetzen Schablone und wiederholen des Sprühvorgangs für jede Schicht der Vorrichtung. Entfernen Sie die stack von Geräten und Platz in der unteren Schicht Klebeband. Dies verhindert eine Fluidleckage aus dem Gerät. Geschnitten, um einzelne Geräte aus dem Blatt mit einer Schere, nach der Kante des bedruckten Bereich.

2. Planar 4-Schicht-Gerät (Origami gefalteten Lagen) Bau

1. Druckbogen, die alle Schichten der Vorrichtung auf ein Filterpapier ein Festtintendrucker. Legen Sie Filterpapier auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min. Entfernen Filterpapier von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen.
   Hinweis: Die genauen Designs verwendet sind als Zusatzdateien.
2. Kaution 4 ul 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz, grün: 10: 1-Mischung von Tartrazin: Erioglaucin Dinatriumsalz) in jedem Zweig (eine Farbe pro Zweig) der Schicht 3 (dritte Schicht von der Oberseite des fertiggestellten Vorrichtung) über Mikropipette.
3. Spannen Sie den Bogen von Geräten zwischen der Schablone und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas, Mit binderclips oder eine andere ähnliche temporäre Methode. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier ist.
4. Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste der Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) von etwa 24 cm sprühen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern.
5. Entfernen Sie Schablone und drehen Sie das Blatt über. Ersetzen Sie Schablone und sprühen Seite des Papiers zurück. Entfernen Sie das Blatt von Geräten und beginnen in einem Akkordeon Falte falten, wie in Abbildung 1 dargestellt. Schneiden Sie jedes Gerät aus Blech Schere nach dem Rand der gedruckten Region. Legen Sie Klebeband über der unteren Schicht zu packen.

3. Nichtplanare (Origami) Geräteaufbau

1. Druckvorrichtung (2A) auf Filterpapier ein Festtintendrucker mit und legen Sie das Filterpapier auf einer heißen Platte bei 170 ° C für 2 min. Gerät entfernen von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen.
   HINWEIS:Die genauen Designs verwendet werden, sind als Zusatzdateien.
2. Drucken Knittermuster (2C) auf Druckerpapier ein Festtintendrucker verwenden und auf die Größe des Filterpapiers geschnitten. Platzieren Faltmuster auf einer Heizplatte bei 170 ° C für 2 min, um das Wachs zu schmelzen, wodurch das Muster von beiden Seiten des Papiers sichtbar zu sein. Entfernen Knittermuster von Heizplatte und lassen Sie es auf RT abkühlen.
3. Richten Sie die Kanten des Knittermuster an die Ränder des Papiers mit den Kanalmuster und bringen Sie die beiden Stücke von Papier mit Binder Clips oder eine andere ähnliche temporäre Methode.
4. Verfolgen Sie die Knittermuster mit einem stumpfen Stift, die Anwendung genug Kraft, die Markierungen auf dem Gerät Blatt erscheinen, aber nicht so hart, dass die Falte Musterpapier Rips. Wenn das geschieht, droht das Gerät beschädigt wird. Vorbiegen bewirkt, daß das Papier viel leichter zu falten und ermöglicht eine höhere Genauigkeit und Präzision in Falten.
5. Beginnen Sie das Gerät mit Berg und Tal FaltenFalten nach dem Knittermuster. Sobald der Klebstoff aufgetragen worden ist, muss das gesamte Gerät sehr schnell montiert werden, so dass das Gerät so weit wie möglich Falten vor Klebstoffauftrag sehr hilfreich ist.
6. Sobald die Vorrichtung gefaltet wird, entfalten die Vorrichtung die Teile der Vorrichtung, die Klebstoff erfordern zu belichten. Ausgeschnittenen Masken (2D) , die in dem auf dem Gerät Klebstoff begrenzen kann angewendet werden, unter Verwendung einer Rasierklinge.
7. Klemmen Sie das Gerät zwischen der Schablone und Maske und einem steifen Träger, wie ein Stück von Flachglas. Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Gerät. Verwenden Sie den Kleber (siehe Liste Materialien und Geräte) mit einer etwa 1,33 sec (ein Vier-Zählung bei 180 bpm) von etwa 24 cm sprühen. Vier Durchgänge während dieser Zeit (up-down-up-down) ausreichend Sprühschatten zu verhindern. Entfernen Sie Schablone und drehen Sie das Blatt über. Ersetzen Sie Schablone und Maske und sprühen Seite des Papiers zurück.
8. Sofort Gerät aus Schablone entfernen und beginnen die FaltenGerät. Sobald die Vorrichtung vollständig gefaltet ist, Druck auf den Klebstoff enthaltenden Abschnitt, bis der Klebstoff getrocknet ist.
   HINWEIS: Die Trocknungszeit des Klebstoffes ist sehr empfindlich gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit, so in einer Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit, in einer feuchtigkeitsgesteuerten Kammer Falten erlaubt mehr Zeit, um die Vorrichtung zu falten.

4. Wicking-Test für 4-Schicht-Geräte

1. Randomly 20 Geräte auswählen, die zuvor zu den oben genannten Protokolle zusammengesetzt nach. Platz-Geräte an einem Ort, von jedem Wind oder Brise abgeschirmt Verdunstung zu minimieren. Ablagerung 40 ul Wasser am Einlaß jedes Gerät. Notieren Sie sich die Zeit, die für jedes Gerät nimmt alle seine Filialen vollständig mit Farbstoff gefüllt zu haben.

5. Origami Wicking-Vergleich

1. Konstrukt zwei origami peacocks - eines nach dem obigen Protokoll (Abschnitt 3) und die andere ohne die Verwendung einer Schablone während der Klebstoffauftrag.
2. Stecken Sie das eine Ende eines kleinen paper Blei (ca. 5 mm breit und 5 cm lang) in den Körper jedes Pfau.
3. Zeigen beide peacocks in eine Kammer mit hoher Luftfeuchtigkeit (> 90%) gehalten, die Verdampfung zu minimieren. Legen Sie jedes Bein und führen jedes Pfau in einen Behälter gefüllt mit 5 mM Farbstoff (rot: Allura Rot, gelb: Tartrazin, blau: Erioglaucin Dinatriumsalz). Nehmen Sie mit einer Digitalkamera Wicking Prozess.

Results

Die 4-Schicht-Gerätetests wurden in einer abgedichteten Kammer durchgeführt, so dass sie von jedem Wind oder Brise Abschirmung, die eine übermäßige Verdunstung des begrenzten abgeschiedenen Flüssigkeitsvolumen verursachen könnten. Die Mehrheit der wicking in der 4-Schicht-Geräte ist in den mittleren Schichten der Vorrichtung, damit Unterschiede in der Geschwindigkeit aufgrund der Verdampfung wicking wurden minimal erwartet. Zusätzlich gibt es eine minimale seitliche wicking mit nur 13 mm...

Discussion

Die oben genannten Protokolle verwenden, Lochbleche als Schablonen zum Aufbringen von Aerosol Klebstoffe planare und nicht planare 3D-Papier mikrofluidischen Vorrichtungen bauen. In planaren Geräte, hat dies den Vorteil, dass Geräte vollständig entfaltet werden, nachdem der Klebstoff ohne Zerstörung der Vorrichtung getrocknet ist. In anderen Klebstoffkonstruktionstechniken basieren, ist dies nahezu unmöglich, obwohl einige Entwürfe für die teilweise zerstörende Demontage ermöglichen , indem zwei Hälften unpeeling mit ei...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Kamera	Nikon	D5100
Festtintendrucker	Xerox	ColorQube 8880
Heizplatte	Torrey Pines	HS60
Feuchtigkeitskammer	Electro-Tech Systems	5503-E
Sprühkleber	3M	62497749309	Super 77 (16,75 oz Dose)
Filterpapier	Whatman	Grade 4
Perforiertes StahlblechDepot		PS16116
Tartrazin	Sigma-Aldritch	T0388
Allura Red	Sigma-Aldritch	458848
Eriogalucin Dinatriumsalz	Sigma-Aldritch	861146