Mit Adhesive Patterning 3D Paper Mikrofluidik-Vorrichtungen bauen

Das übergeordnete Ziel dieser Technik besteht darin, ebene und nicht-ebene dreidimensionale mikrofluidische Papiergeräte herzustellen, die während der Herstellung und nach der Verwendung durch die Mustergestaltung eines Aerosolklebstoffs entfaltet werden können. Diese Methode erschließt einen völlig neuen Gestaltungsspielraum für mikrofluidische Papieranwendungen, indem sie Beschränkungen beseitigt, die Forscher bisher daran hinderten, einfache Kanalnetzwerke zu verwenden. Die wichtigsten Vorteile dieser Technik sind die erhebliche Verringerung der Menge an Klebstoff, die während der Herstellung mikrofluidischer Papiergeräte aufgebracht wird, sowie die Möglichkeit, nicht-ebene dreidimensionale mikrofluidische Papierkreisläufe zu konstruieren.

Zunächst wird mit einem Solid-Ink-Drucker ein Muster jeder Schicht für das Gerät auf Filterpapier gedruckt. Danach wird jedes Filterpapier zwei Minuten lang auf eine Heizplatte bei 170 Grad Celsius gelegt, um die wachsartige Tinte zum Schmelzen zu bringen und ein vollständiges Eindringen in das Papier zu ermöglichen, wodurch hydrophobe Barrieren entstehen. Sobald das Papier abgekühlt ist, wird mit einer Mikropipette eine andere Farbe in jeden Zweig der Schicht drei eingefüllt.

Vier Mikroliter-Aliquots von fünf Millimolar färbenden Substanzen sind ausreichend. Beginnen Sie nun mit dem Aufbau. Klemmen Sie zunächst die unterste Schicht zwischen die Schablone und eine starre Unterlage, beispielsweise eine Glasplatte.

Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier aufliegt, um Sprühunschärfen zu minimieren. Stellen Sie dann ein Metronom auf 180 Schläge pro Minute ein und sprühen Sie Klebstoff aus einem Abstand von etwa 24 Zentimetern für vier Schläge lang auf. Bewegen Sie die Dose in vier gleichmäßigen Bewegungen über die Schablone hinweg.

Wenn die Dose zu langsam bewegt wird, sammelt sich der Klebstoff auf der Schablone selbst an und verstopft diese. Wenn die Dose zu schnell bewegt wird, wird nicht genügend Klebstoff aufgetragen. Entfernen Sie anschließend die Schablone und platzieren Sie die nächste Schicht der Vorrichtung über der frisch besprühten Schicht, wobei Sie sie sorgfältig an den Kanten ausrichten.

Drücken Sie die Schichten fest zusammen. Sprühen Sie dann erneut den Klebstoff auf. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis alle Schichten fest miteinander verbunden sind.

Auf den Vier-Schichten-Stapel wird ein Streifen Packband über die unterste Schicht geklebt, um ein Auslaufen von Flüssigkeit zu verhindern. Anschließend können einzelne Vorrichtungen gemäß dem gedruckten Muster aus dem Stapel ausgeschnitten werden. Wie bei dem vorherigen Verfahren wird die Vorrichtung mittels eines Solid-Ink-Druckers auf Filterpapier gedruckt und die Tinte anschließend zwei Minuten lang auf einer Heizplatte bei 170 Grad Celsius geschmolzen.

Drucken Sie für diesen Schritt außerdem das Faltmuster auf die gleiche Weise, jedoch auf normales Druckerpapier. Sobald die Ausdrucke abgekühlt sind, richten Sie die Linien des Faltmusters an den Kanten der Kanalmuster aus. Befestigen Sie sie anschließend mit Klebeband.

Als Nächstes zeichnen Sie das Faltmuster mit einem stumpfen Stilus nach. Üben Sie genügend Druck aus, um das Gerätetemplate zu markieren, ohne das Papier zu zerreißen. Falls das Papier einreißt, beginnen Sie von vorn.

Diese Vorknicktechnik erhöht die Genauigkeit und Präzision des Faltens. Beginnen Sie nun mit dem Falten des Geräts unter Verwendung von Berg- und Talfalten gemäß dem Knickmuster. Das Falten vor dem Auftragen des Klebstoffs beschleunigt die Gerätemontage.

Nach dem Falten entfalten Sie es wieder, um die Bereiche freizulegen, die Klebstoff benötigen. Schneiden Sie dann mit einer Klinge Masken aus, um die Bereiche einzuschränken, auf die Klebstoff aufgetragen wird. Befestigen Sie das Gerät nun flach zwischen der Schablone mit der Maske und einer starren Unterlage mit einer Klammer.

Verwenden Sie ein Metronom, um 1,3 Sekunden abzumessen, und tragen Sie den Klebstoff wie zuvor auf. Falls die Umgebungsfeuchtigkeit niedrig ist, tragen Sie den Klebstoff in einem feuchtigkeitsgeregelten Bereich auf, damit er nicht zu schnell trocknet. Entfernen Sie anschließend die Schablone und die Maske und drehen Sie das Blatt um.

Danach die Rückseite des Papiers auf dieselbe Weise besprühen. Entfernen Sie das Gerät unverzüglich von der Schablone und beginnen Sie mit dem Falten des Geräts. Sobald das Gerät vollständig gefaltet ist, üben Sie kontinuierlichen Druck auf den Bereich mit Klebstoff aus, bis dieser getrocknet ist.

Um einen Saugtest an den vierlagigen Vorrichtungen durchzuführen, wählen Sie zufällig 20 Vorrichtungen aus. Stellen Sie die Vorrichtungen an einen Ort, an dem sie vor Luftströmungen geschützt sind, um die Verdunstung zu minimieren. Geben Sie anschließend 40 Mikroliter Wasser am Eingang jeder Vorrichtung ab.

Notieren Sie die Zeit, die benötigt wird, bis alle Auslässe jedes Geräts vollständig mit Farbstoff gefüllt sind. Vergleichen Sie bei den Origami-Geräten zwei Origami-Pfauen, einen wie zuvor beschrieben hergestellt und einen weiteren ohne Verwendung der Schablone beim Auftragen des Klebstoffs. Führen Sie dann ein Ende einer kleinen Papierleitung in den Körper des Pfauens ein.

Unter kontrollierter relativer Luftfeuchtigkeit von über 90 % wurde jedes Bein und die Papierleitung jedes Pfauens in einen Behälter mit fünf Millimolar Farbstoff gegeben. Die durchschnittlichen Kapillaranstiegszeiten und Erfolgsraten für Vier-Schicht-Geräte, die mit unterschiedlichen Mengen an Klebstoff hergestellt wurden, wurden verglichen. Eine gleichmäßige Klebstoffbedeckung führte zu relativ hohen Erfolgsraten, die mit zunehmender Klebstoffmenge abnahmen.

Die Erfolgsraten waren ebenfalls deutlich höher bei schnelleren Kapillarlaufzeiten, wenn der strukturierte Klebstoff auf beiden Seiten aufgetragen wurde, im Vergleich dazu, wenn er nur auf einer Seite aufgetragen wurde. Fehlschläge traten häufiger auf, wenn der Klebstoff nur auf einer Seite aufgetragen wurde. Ein typischer Fehlschlag bei gestapelten Vorrichtungen zeichnete sich durch Ausgänge aus, die sich nicht vollständig mit Farbstoff füllten oder länger als fünf Minuten zum Füllen benötigten.

Bei faltbaren Origami-Geräten wurde ein Geräteversagen durch Ausgänge charakterisiert, die sich mit keiner Menge an Farbstoff füllten. Diese Ausgänge befanden sich ausschließlich entlang der beiden Kanten des Geräts, die die Falten enthielten. Durch die Verdopplung der Größe des Randbereichs um die Kanäle herum stiegen die Erfolgsraten sowohl für einseitige als auch für zweiseitige Klebeanwendungen.

Beide Methoden der Klebstoffauftragung führten zu Vorrichtungen, die die Flüssigkeit erfolgreich über die gesamte Länge ihrer Kanäle leiteten, ohne dass es zu einer Vermischung kam. Die Vorrichtung mit gleichmäßig aufgetragenem Klebstoff war jedoch merklich langsamer. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, eine gleichmäßige und konsistente Auftragung des Klebstoffs sicherzustellen.

Beachten Sie, dass Aerosolkleber nur in gut belüfteten Bereichen angewendet werden sollte. Nachdem Sie dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie gemusterte Klebstoffe zur Herstellung ebener und nichtebener 3D-Papiermikrofluidikgeräte aufgebracht und verwendet werden. Diese Technik ermöglicht es Forschern, die Verwendung nichtebener Strukturen zu untersuchen, um Funktionalitäten zu erreichen, die bisher in ebenen Geräten nicht vorhanden waren, wie z. B. integrierte Aktuation und Sensorik.