Utilisation de l'adhésif Patterning de construire papier dispositifs microfluidiques 3D

Summary

Nous démontrons l'utilisation d'adhésifs en aérosol à motifs pour construire des dispositifs microfluidiques en papier 3D. Cette méthode de formulaires de demande adhésives liaisons semi-permanentes entre les couches, ce qui permet des dispositifs à usage unique pour être non destructive démontée après utilisation et pour faciliter les structures non planes pliage complexes.

Abstract

Nous démontrons l’utilisation d’adhésifs aérosols à motifs pour construire des dispositifs microfluidiques en papier 3D planaires et non planaires. En pulvérisant un adhésif en aérosol à travers un pochoir métallique, la quantité globale d’adhésif utilisée dans l’assemblage de dispositifs microfluidiques en papier peut être considérablement réduite. Nous montrons sur un simple dispositif microfluidique en papier planaire à 4 couches que la technique d’application optimale de l’adhésif et le style de construction du dispositif dépendent fortement des caractéristiques de performance souhaitées. En augmentant modérément la surface globale d’un appareil, il est possible de réduire considérablement le temps de mèche et d’augmenter les taux de réussite de l’appareil tout en réduisant la quantité d’adhésif nécessaire pour maintenir l’appareil ensemble. Une telle application d’adhésif provoque également la formation de liaisons semi-permanentes à l’adhésif au lieu de liaisons permanentes entre les couches de papier, ce qui permet aux dispositifs à usage unique d’être démontés de manière non destructive après utilisation. Les dispositifs d’origami 3D non planaires bénéficient également des liaisons semi-permanentes lors du pliage, car ils réduisent la probabilité que des faces non liées puissent se coller accidentellement les unes aux autres. Comme les dispositifs planaires, les structures non planes voient leurs temps de mèche réduits grâce à l’application d’un adhésif à motifs par rapport à un adhésif appliqué uniformément.

Introduction

Au cours des dernières années, le papier microfluidique a valu une popularité considérable pour son potentiel à fournir des points de service à faible coût (POC) des appareils de diagnostic. ^1-3 dispositifs de POC offrent des fonctionnalités similaires à celles des tests basés en laboratoire dans un format qui permet aux résultats d'être obtenu relativement rapidement. dispositifs de POC en papier sont peu coûteux, léger et alternatives faciles à utiliser à puces microfluidiques coûteuses et des laboratoires miniaturisés, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans des environnements à ressources limitées. Les dispositifs microfluidiques de papier les plus courants sont les dispositifs d'écoulement latéral à une dimension, mais plane en trois dimensions (3D) du papier dispositifs microfluidiques tenir la promesse de fournir des dispositifs de diagnostic multiplexés ⁴ qui prennent une empreinte beaucoup plus petite que celle qui serait requise par un dispositif 2D ⁵ et utiliser en conséquence un volume d'échantillon plus petit.

Dans un premier temps, les dispositifs microfluidiques de papier 3D plane sont assemblées individuellement, couche par couche wie modelée couches de papier en alternance avec du ruban adhésif double face découpé au laser. Trous alignés soigneusement découpés dans la couche de bande ont été remplis avec de la poudre de cellulose pour assurer inter-couche transport de fluide. ⁴ Un certain nombre d'autres méthodes ont ensuite été mis au point, ^6-9 chacun améliorant différents aspects des dispositifs. En particulier, en évitant les adhésifs, les dispositifs peuvent être pliés au moyen de techniques d'origami avec des couches maintenues ensemble par une pince externe. ⁸ Ceci élimine toute interférence adhésive potentiel dans un test de diagnostic et permet au dispositif d'être déplié après utilisation, permettant potentiellement l' échantillon encore plus faible volumes en affichant des résultats en interne. En variante, en utilisant un adhésif d'aérosol appliquée entre chaque couche de papier, des feuilles de dispositifs peuvent être assemblés simultanément, sans temps de motif et l' alignement de la bande. ⁹

Cependant, en appliquant un adhésif d'aérosol à travers un pochoir, il est possible de tirer le meilleur profit deces deux techniques. Par pulvérisation de l'adhésif à travers un pochoir, seule une fraction de la colle est appliquée sur l'appareil, en minimisant les risques d'interférence avec le transfert de fluide de la couche intermédiaire. En outre, avec une sélection de pochoir prudent, un motif d'adhésif peut être appliqué que les résultats dans le collage semi-permanente, des dispositifs permettant d'être dépliées après utilisation, tout en assurant un contact intercouche suffisante pour permettre au fluide de mèche entre les couches.

Enfin, l' application des adhésifs en aérosol à travers un pochoir facilite la construction des dispositifs microfluidiques de papier 3D non planes, en réduisant au minimum la quantité de colle appliquée sur les faces adjacentes qui peuvent nécessiter le pliage fréquent et dépliage au cours de la construction. ¹⁰ En outre, l'utilisation d'adhésif à motifs dispositif permet d'être déplié après utilisation pour le stockage plus pratique. dispositifs microfluidiques papier non planaire 3D devraient être utilisés pour des tâches qui seraient autrement impossibles dans un devic plan 3De. La figure 1 illustre le déroulement du processus général utilisé pour construire à la fois plane et des dispositifs 3D non planes.

Protocol

1. Planar 4-couche périphérique (couches empilées) Construction

1. Imprimer des tableaux de chaque couche du dispositif ⁹ sur chaque morceau de papier filtre en utilisant une imprimante à encre solide. ^11,12 Placez chaque papier filtre sur une plaque chauffante à 170 ° C pendant 2 min. Cela va faire fondre l'encre à base de cire et de lui permettre de pénétrer complètement l'épaisseur du papier, en formant des barrières hydrophobes.
   REMARQUE: Les dessins exacts utilisés sont disponibles sous forme de fichiers supplémentaires.
2. Retirez le papier du filtre de plaque et laisser refroidir à température ambiante.
3. Dépôt de 4 pi de colorant 5 mM (rouge: rouge allura, le jaune: tartrazine, bleu: erioglaucine sel disodique; vert: 10: 1 mélange de tartrazine: erioglaucine de sel disodique) dans chaque branche (une couleur par branche) de la couche 3 (troisième couche à partir de la partie supérieure du dispositif complet) à l'aide d'une micropipette.
4. Commencez par le bas les plus-couche. Fixer le papier filtre entre le pochoir et un support rigide, comme un morceau de verre de la plaque, en utilisant clip liants, ou une autre méthode temporaire similaire. Assurez-vous que le pochoir est à plat contre le papier. Cela permettra de minimiser les ombres de pulvérisation exprimées par le pochoir sur le papier.
5. Appliquer la colle (voir la liste des matériaux et de l' équipement) avec une participation d' environ 1,33 sec (quatre-count à 180 bpm) par pulvérisation d'environ 24 cm. ^9,10 Pendant ce temps, déplacer la boîte de colle à travers le pochoir à un rythme moyen. Trop lent de Voyage à travers le pochoir provoquera adhésif à accumuler sur le pochoir lui-même, obstruer. Trop rapide de Voyage ne parviendra pas à déposer suffisamment d'adhésif sur le papier. Quatre passes au cours de cette période (haut-bas-haut-bas), sont suffisantes pour prévenir les ombres de pulvérisation.
6. Retirer pochoir et placer la couche suivante de l'appareil (couches numérotées sont disponibles sous forme de fichiers supplémentaires) au sommet de la couche fraîchement pulvérisé, en alignant les bords du papier. Appuyez fermement sur les deux couches ensemble.
7. Remplacer pochoir et répéter le processus de pulvérisation pour chaque couche du dispositif. Retirez la stack de dispositifs et de placer du ruban d'emballage à travers la couche inférieure. Cela empêche toute fuite de fluide à partir du dispositif. dispositifs individuels coupés de la feuille à l'aide de ciseaux, en suivant le bord de la zone imprimée.

2. Planar 4-couche périphérique (Layers Origami Plié) Construction

1. feuilles d'impression contenant toutes les couches de l'appareil sur un papier filtre en utilisant une imprimante à encre solide. Placer le papier filtre sur une plaque chauffante à 170 ° C pendant 2 min. Retirez le papier du filtre de plaque et laisser refroidir à température ambiante.
   REMARQUE: Les dessins exacts utilisés sont disponibles sous forme de fichiers supplémentaires.
2. Dépôt de 4 pi de colorant 5 mM (rouge: rouge allura, le jaune: tartrazine, bleu: erioglaucine sel disodique; vert: 10: 1 mélange de tartrazine: erioglaucine de sel disodique) dans chaque branche (une couleur par branche) de la couche 3 (troisième couche à partir du haut de l'appareil achevé) via micropipette.
3. Fixer la feuille de dispositifs entre le pochoir et un support rigide, comme un morceau de verre de la plaque, En utilisant binderclips, ou une autre méthode temporaire similaire. Assurez-vous que le pochoir est à plat contre le papier.
4. Appliquer la colle (voir la liste des matériaux et de l'équipement) avec une participation d'environ 1,33 sec (quatre-count à 180 bpm) par pulvérisation d'environ 24 cm. Quatre passes au cours de cette période (haut-bas-haut-bas), sont suffisantes pour prévenir les ombres de pulvérisation.
5. Retirer pochoir et retourner la feuille. Remplacer pochoir et pulvériser le verso du papier. Retirez la feuille de dispositifs et de commencer à plier dans un pli en accordéon, comme le montre la figure 1. Couper chaque dispositif à partir de la feuille en utilisant des ciseaux, en suivant le bord de la zone imprimée. Placez du ruban d'emballage à travers la couche inférieure.

3. non planaire (Origami) Dispositif de construction

1. Dispositif d'impression (Figure 2A) sur du papier filtre à l' aide d' une imprimante à encre solide et placez le papier filtre sur une plaque chaude à 170 ° C pendant 2 min. Supprimer le périphérique de plaque et laisser refroidir à température ambiante.
   REMARQUE:Les dessins exacts utilisés sont disponibles sous forme de fichiers supplémentaires.
2. Imprimer pli motif (figure 2C) sur du papier d'imprimante à l' aide d' une imprimante à encre solide et coupé à la taille du papier filtre. Placez motif pli sur une plaque chauffante à 170 ° C pendant 2 minutes, pour faire fondre la cire, à l'origine du motif à être visible des deux côtés du papier. Retirer motif pli de plaque et laisser refroidir à température ambiante.
3. Alignez les bords du motif de pli aux bords du papier contenant les modèles de canal et joindre les deux morceaux de papier en utilisant des clips de liant, ou une autre méthode temporaire similaire.
4. Tracer le motif de pli avec une pointe émoussée, appliquer suffisamment de force que les marques apparaissent sur la feuille de l'appareil, mais pas si dur que le papier de modèle de pli déchire. Si cela se produit, l'appareil risque d'être endommagé. Rainage provoque le papier de se replier beaucoup plus facilement et permet une plus grande exactitude et de précision dans le pliage.
5. Commencez plier le dispositif avec la montagne et la valléeplis selon le motif de pli. Une fois que l'adhésif a été appliqué, l'ensemble du dispositif doit être assemblé très rapidement, de sorte que le pliage du dispositif, autant que possible avant l'application de l'adhésif est très utile.
6. Une fois que le dispositif est plié, déplier le dispositif pour exposer les parties du dispositif qui nécessitent adhésif. Masques Découpez (Figure 2D) qui limitent le cas sur l'adhésif de l' appareil peuvent être appliquées, en utilisant une lame de rasoir.
7. Fixer le dispositif entre le pochoir et le masque et un support rigide, comme un morceau de verre de la plaque. Assurez-vous que le pochoir est à plat contre le dispositif. Appliquer la colle (voir liste matériaux et équipements) avec une participation d'environ 1,33 sec (quatre-count à 180 bpm) par pulvérisation d'environ 24 cm. Quatre passes au cours de cette période (haut-bas-haut-bas), sont suffisantes pour prévenir les ombres de pulvérisation. Retirer pochoir et retourner la feuille. Remplacer pochoir et masque et pulvériser le verso du papier.
8. retirer immédiatement le dispositif de pochoir et commencer à plier ledispositif. Une fois que le dispositif est complètement plié, appliquer une pression sur l'adhésif contenant la partie jusqu'à ce que l'adhésif a séché.
   REMARQUE: Le temps de séchage de l'adhésif est très sensible à l'humidité ambiante, donc dans des endroits avec une faible humidité, le pliage dans une chambre à humidité contrôlée permet plus de temps pour plier l'appareil.

4. Wicking test pour les périphériques 4 couches

1. Choisissez au hasard 20 appareils, préalablement assemblés selon les protocoles ci-dessus. dispositifs de place dans un endroit à l'abri de tout vent ou brise pour minimiser l'évaporation. Dépôt de 40 pi d'eau à l'entrée de chaque appareil. Notez le temps qu'il faut pour chaque appareil d'avoir tous ses points de vente complètement rempli avec de la teinture.

5. Origami Wicking Comparaison

1. Construire deux paons origami - un selon le protocole ci-dessus (section 3), et l'autre sans l'utilisation d'un pochoir lors de l'application d'adhésif.
2. Insérez une extrémité d'un petit paper plomb (environ 5 mm de largeur et 5 cm de long) dans le corps de chaque paon.
3. Placez les deux paons dans une enceinte maintenue à une humidité relative élevée (> 90%) pour minimiser l'évaporation. Placez chaque jambe et le plomb de chaque paon dans un récipient rempli de colorant 5 mM (rouge: rouge allura, jaune: tartrazine, bleu: erioglaucine sel disodique). Enregistrez processus de mèche avec un appareil photo numérique.

Results

Les tests de périphériques 4 couches ont été réalisées dans une enceinte étanche, les protégeant de toute vent ou brise qui pourrait provoquer l'évaporation excessive du volume de fluide déposé limité. La majorité de la mèche dans les dispositifs 4 couches est dans les couches moyennes de l'appareil, de sorte que les différences de vitesses de mèche en raison de l'évaporation ont été devraient être minimes. En outre, il y a effet de mèche latéral minime, avec seulement 13 mm entre l'entr...

Discussion

Les protocoles ci-dessus utilisent des feuilles métalliques perforées comme des pochoirs pour appliquer des adhésifs en aérosol pour construire plane et 3D dispositifs microfluidiques papier non planes. Dans les dispositifs planaires, ce qui a l'avantage de permettre des dispositifs d'être complètement déplié après que l'adhésif a séché sans détruire l'appareil. Dans d' autres techniques de construction d'adhésifs à base, ce qui est presque impossible, même si, certains modèles permettent un démo...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Appareil photo	Nikon	D5100
Imprimante à encre solide	Xerox	ColorQube 8880
Plaque chauffante	Torrey Pines	HS60
Chambre d’humidité	Electro-Tech Systems	5503-E
Adhésif en aérosol	3M	62497749309	Super 77 (bidon de 16,75 oz)
Papier filtre	Whatman	Grade 4
Tôle d’acier perforée	MetalsDepot	PS16116
Tartrazine	Sigma-Aldritch	T0388
Rouge Allura	Sigma-Aldritch	458848
Erioglaucine sel disodique	Sigma-Aldritch	861146