El uso de adhesivo Patrones para construir dispositivos de microfluidos de papel 3D

Summary

Se demuestra el uso de adhesivos de aerosol estampadas para la construcción de dispositivos de microfluidos de papel 3D. Este método de las formas de aplicación de adhesivos enlaces semipermanentes entre capas, permitiendo que los dispositivos de un solo uso para ser desmontado después de su uso y facilitar estructuras no planas de plegado complejas de forma no destructiva.

Abstract

Demostramos el uso de adhesivos en aerosol estampados para construir dispositivos microfluídicos de papel 3D planos y no planos. Al rociar un adhesivo en aerosol a través de una plantilla de metal, se puede reducir significativamente la cantidad total de adhesivo utilizado en el ensamblaje de dispositivos microfluídicos de papel. Demostramos en un simple dispositivo microfluídico de papel plano de 4 capas que la técnica óptima de aplicación de adhesivo y el estilo de construcción del dispositivo dependen en gran medida de las características de rendimiento deseadas. Al aumentar moderadamente el área total de un dispositivo, es posible disminuir drásticamente el tiempo de absorción y aumentar las tasas de éxito del dispositivo, al mismo tiempo que se reduce la cantidad de adhesivo necesario para mantener el dispositivo unido. Dicha aplicación de adhesivo también hace que el adhesivo forme uniones semipermanentes en lugar de uniones permanentes entre capas de papel, lo que permite que los dispositivos de un solo uso se desmonten de manera no destructiva después de su uso. Los dispositivos de origami 3D no planos también se benefician de las uniones semipermanentes durante el plegado, ya que reducen la probabilidad de que caras no relacionadas se peguen accidentalmente. Al igual que los dispositivos planos, las estructuras no planas ven reducidos los tiempos de absorción con la aplicación de adhesivo estampado en comparación con el adhesivo aplicado uniformemente.

Introduction

En los últimos años, la microfluídica papel ha ganado mucha popularidad por su potencial para proporcionar punto de atención de bajo costo (POC), dispositivos de diagnóstico. ^1-3 dispositivos de POC ofrecen una funcionalidad similar a las de las pruebas basadas en laboratorio en un formato que permite que los resultados sean obtenido con relativa rapidez. dispositivos de POC hechos de papel son de bajo costo, peso ligero, y las alternativas fáciles de utilizar para los chips de microfluidos caros y laboratorios miniaturizados, lo que es ideal para su uso en entornos con recursos limitados. Los dispositivos de microfluidos de papel más comunes son dispositivos de flujo lateral de una dimensión, pero plana en tres dimensiones (3D) de papel tienen dispositivos de microfluidos prometen proporcionar dispositivos de diagnóstico multiplexados ⁴ que ocupan una huella mucho más pequeña que la que se requiere por un dispositivo de 2D ⁵ y utilizar correspondientemente un volumen de muestra más pequeña.

Inicialmente, los dispositivos de microfluidos de papel 3D planar se montan individualmente, capa por capa wiº modelada capas de papel que alternan con cinta de doble cara cortada con láser. Agujeros alineados cuidadosamente cortados en la capa de cinta se llenaron con polvo de celulosa para asegurar el transporte de fluido entre capas. Posteriormente se desarrollaron ⁴ Un número de métodos alternativos, cada uno ^6-9 mejorar diferentes aspectos de los dispositivos. En particular, al evitar los adhesivos, los dispositivos podrían ser plegadas a través de técnicas de Origami con las capas unidas por una abrazadera externa. ⁸ Esto elimina cualquier interferencia adhesivo potencial en una prueba de diagnóstico y permite que el dispositivo sea desplegado post-uso, permitiendo potencialmente muestra aún menor volúmenes de mostrar los resultados internos. Alternativamente, mediante el uso de un adhesivo aerosol aplicado entre cada capa de papel, hojas de dispositivos podrían ser montados de forma simultánea, sin tiempo de patrones y la alineación de la cinta. ⁹

Sin embargo, mediante la aplicación de un adhesivo de aerosol a través de una plantilla, es posible obtener el beneficio deambas de estas técnicas. Rociando el adhesivo a través de una plantilla, sólo una fracción del adhesivo se aplica al dispositivo, reduciendo al mínimo cualquier posible interferencia con la transferencia de fluido entre capas. Además, con la selección de la plantilla cuidado, un patrón de adhesivo se puede aplicar que los resultados en unión con adhesivo semi-permanente, lo que permite que los dispositivos se desarrollaron después de su uso, mientras que todavía proporciona suficiente contacto entre capas para permitir que el líquido que absorbe y expulsa entre capas.

Por último, la aplicación de adhesivos de aerosol a través de una plantilla facilita la construcción de dispositivos de microfluidos de papel 3D no planas, minimizando la cantidad de adhesivo aplicada a las caras adyacentes que pueden requerir de plegado frecuente y despliegue durante la construcción. ¹⁰ Además, el uso de adhesivo con patrón permite dispositivo para ser desplegado después de su uso para el almacenamiento más conveniente. Se espera que los dispositivos de microfluidos de papel no plano en 3D que se utilizará para las tareas que de otro modo sería imposible en un plano 3D Device. La figura 1 ilustra el flujo de proceso general utilizado para construir tanto planar y dispositivos 3D no planas.

Protocol

1. planar de 4 capas de dispositivos (capas apiladas) Construcción

1. Imprimir las matrices de cada capa del dispositivo ⁹ en cada pedazo de papel de filtro utilizando una impresora de tinta sólida. ^11,12 colocar cada papel de filtro en una placa caliente a 170 ° C durante 2 min. Esto fundir la tinta a base de cera y dejar que penetre completamente el grosor del papel, formando barreras hidrofóbicas.
   NOTA: Los diseños exactos utilizados están disponibles como archivos adicionales.
2. Retire el papel de filtro de placa caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
3. Depósito 4 l de colorante 5 mM (rojo: rojo Allura; amarillo: tartrazina; azul: sal disódica Erioglaucina; verde: 10: 1 mezcla de tartrazina: Erioglaucina sal disódica) en cada rama (un color por rama) de la capa 3 (tercera capa de la parte superior del dispositivo completo) utilizando una micropipeta.
4. Comience con la parte inferior capa más. Sujetar el papel de filtro entre la plantilla y un soporte rígido, tal como un pedazo de vidrio plano, utilizando clip de la carpetas, u otro método temporal similares. Asegúrese de que el patrón esté plana contra el papel. Esto minimizará cualquier sombra de pulverización emitidos por el esténcil sobre el papel.
5. Aplicar el adhesivo (véase la lista de materiales y equipos) con una de aproximadamente 1,33 seg (un recuento de cuatro a 180 bpm) pulverizar a unos 24 cm. ^9,10 Durante este tiempo, mover la lata de adhesivo a través de la galería de símbolos a un ritmo medio. Demasiado lento de los viajes a través de la plantilla hará que el adhesivo se acumule en la plantilla en sí, obstruirlo. Demasiado rápida de los viajes dejará de depositar suficiente adhesivo en el papel. Cuatro pases durante este tiempo (arriba-abajo-arriba-abajo) son suficientes para prevenir sombras de pulverización.
6. Retire la plantilla y colocar la siguiente capa del dispositivo (capas numeradas están disponibles como archivos adicionales) sobre la capa rociada recientemente, alineando los bordes del papel. Presione firmemente las dos capas juntas.
7. Reemplazar plantilla y repetir el proceso de pulverización para cada capa del dispositivo. Retire el stack de dispositivos y lugar de cinta de embalaje a través de la capa inferior. Esto evita cualquier fuga de fluido desde el dispositivo. Cortar los dispositivos individuales de la hoja con tijeras, siguiendo el borde de la región impreso.

2. planar de 4 capas de dispositivos (Capas de Origami plegables) Construcción

1. hojas de impresión que contienen todas las capas del dispositivo sobre papel de filtro utilizando una impresora de tinta sólida. Coloque papel de filtro en una placa caliente a 170 ° C durante 2 min. Retire el papel de filtro de placa caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
   NOTA: Los diseños exactos utilizados están disponibles como archivos adicionales.
2. Depósito 4 l de colorante 5 mM (rojo: rojo Allura; amarillo: tartrazina; azul: sal disódica Erioglaucina; verde: 10: 1 mezcla de tartrazina: Erioglaucina sal disódica) en cada rama (un color por rama) de la capa 3 (tercera capa a partir de la parte superior del dispositivo completo) a través de micropipeta.
3. Sujetar la hoja de dispositivos entre la plantilla y un soporte rígido, tal como un pedazo de vidrio de placa, Utilizando binderclips, u otro método temporal similar. Asegúrese de que el patrón esté plana contra el papel.
4. Aplicar el adhesivo (véase la lista de materiales y equipos) con una de aproximadamente 1,33 seg (un recuento de cuatro a 180 bpm) pulverizar a unos 24 cm. Cuatro pases durante este tiempo (arriba-abajo-arriba-abajo) son suficientes para prevenir sombras de pulverización.
5. Retire la plantilla y dar vuelta la hoja más. Vuelva a colocar la plantilla y rociar la cara posterior del papel. Retire la hoja de dispositivos y comenzar plegable en un pliegue de acordeón, tal como se representa en la Figura 1. Cortar cada dispositivo fuera de la hoja con tijeras, siguiendo el borde de la región impresa. Coloque la cinta de embalaje a través de la capa inferior.

3. no planas (Origami) Construcción de dispositivos

1. Dispositivo de impresión (Figura 2A) sobre papel de filtro utilizando una impresora de tinta sólida y colocar el papel de filtro en una placa caliente a 170 ° C durante 2 min. Eliminar dispositivo de la placa de cocción y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
   NOTA:Los diseños exactos utilizados están disponibles como archivos adicionales.
2. Impresión del modelo (Figura 2C) sobre el papel de la impresora utilizando una impresora de tinta sólida y cortar al tamaño del papel de filtro pliegue. Coloque patrón de pliegues sobre una placa caliente a 170 ° C durante 2 min, para fundir la cera, haciendo que el patrón sea visible desde ambos lados del papel. Retire patrón de pliegues de placa caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
3. Alinear los bordes del patrón de pliegues a los bordes del papel que contiene los patrones de canal y adjuntar los dos trozos de papel utilizando clips de la carpeta, o cualquier otro método temporal similar.
4. Trace el patrón de pliegues con un lápiz romo, aplicando suficiente fuerza que aparecen marcas en la hoja de dispositivo, pero no tan fuerte que el patrón de pliegues de papel rasga. Si eso ocurre, el dispositivo corre el riesgo de ser dañado. Prehendido hace que el papel se pliegue mucho más fácilmente y permite una mayor exactitud y precisión en el plegado.
5. Comience doblando el dispositivo con la montaña y el vallepliegues de acuerdo con el patrón de pliegues. Una vez que se ha aplicado el adhesivo, todo el dispositivo debe ser montado muy rápidamente, de modo plegable el dispositivo tanto como sea posible antes de la aplicación de adhesivo es muy útil.
6. Una vez que se pliega el dispositivo, desplegar el dispositivo para exponer las partes del dispositivo que requieren adhesivo. Recorte máscaras (Figura 2D) que limitan el lugar en el que el adhesivo dispositivo se pueden aplicar, utilizando una hoja de afeitar.
7. Sujetar el dispositivo entre la plantilla y la máscara y un soporte rígido, tal como un pedazo de vidrio plano. Asegúrese de que el patrón esté plana contra el dispositivo. Aplicar el adhesivo (ver materiales y equipos de la lista) con una de aproximadamente 1,33 seg (un recuento de cuatro a 180 bpm) pulverizar a unos 24 cm. Cuatro pases durante este tiempo (arriba-abajo-arriba-abajo) son suficientes para prevenir sombras de pulverización. Retire la plantilla y dar vuelta la hoja más. Vuelva a colocar la plantilla y la máscara y rociar la cara posterior del papel.
8. Retire inmediatamente dispositivo de plantilla y empezar a plegar ladispositivo. Una vez que el dispositivo está completamente plegada, aplicar presión a la parte adhesiva que contiene hasta que el adhesivo se haya secado.
   NOTA: El tiempo de secado del adhesivo es muy sensible a la humedad ambiental, por lo que en lugares con baja humedad, plegables en una cámara de humedad controlada permite más tiempo para doblar el dispositivo.

4. ensayo de absorción para dispositivos de 4 capas

1. Selección aleatoria de 20 dispositivos, previamente constituidos de acuerdo a los protocolos anteriores. Coloque los dispositivos en un lugar a salvo de cualquier viento o brisa para minimizar la evaporación. Depósito 40 l de agua a la entrada de cada dispositivo. Registre el tiempo que toma para que cada dispositivo tenga todos sus puntos de venta completamente lleno de tinte.

5. Comparación de Origami de Capilaridad

1. Construir dos pavos reales de Origami - ona de acuerdo con el protocolo anterior (Sección 3), y el otro sin el uso de una plantilla durante la aplicación de adhesivo.
2. Inserte un extremo de un pequeño paper plomo (aproximadamente 5 mm de ancho por 5 cm de largo) en el cuerpo de cada pavo real.
3. Coloque las dos pavos reales en una cámara mantenida a una humedad relativa alta (> 90%) para minimizar la evaporación. Coloque cada pata y el plomo de cada pavo en un recipiente lleno de colorante 5 mM (rojo: rojo Allura, amarillo: tartrazina, azul: sal disódica Erioglaucina). Registro de proceso de mecha con una cámara digital.

Results

Las pruebas de dispositivos de 4 capas se llevaron a cabo en una cámara sellada, protegiéndolos de cualquier viento o la brisa que podrían provocar la evaporación excesiva del volumen de líquido depositado limitado. La mayoría de la mecha en los dispositivos de 4 capas es en las capas medias del dispositivo, por lo que se esperaba que las diferencias de capilaridad velocidades debido a la evaporación a ser mínima. Además, no hay efecto de mecha lateral mínima, con sólo 13 mm entre la ent...

Discussion

Los protocolos anteriores utilizan chapas perforadas como plantillas para la aplicación de adhesivos en aerosol para construir plana y los dispositivos de microfluidos de papel 3D no planas. En los dispositivos planas, esto tiene la ventaja de permitir que los dispositivos sean completamente desplegada después de que el adhesivo se haya secado sin destruir el dispositivo. En otras técnicas de construcción a base de adhesivos, esto es casi imposible, aunque, algunos diseños permiten el desmontaje destructiva parcial por ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cámara	Nikon	D5100
Impresora de tinta sólida	Xerox	ColorQube 8880
Placa calefactora	Torrey Pines	HS60
Cámara	de humedad Electro-Tech Systems	5503-E
Adhesivo en aerosol	3M	62497749309	Super 77 (lata de 16.75 oz)
Papel de filtro	Whatman	Grado 4
Chapa de acero perforadaDepot		PS16116
Tartrazine	Sigma-Aldritch	T0388
Allura Red	Sigma-Aldritch	458848
Erioglaucina sal disódica	Sigma-Aldritch	861146