Method Article

באמצעות דפוסים דבקים כדי לבנות התקני 3D נייר Microfluidic

DOI:

10.3791/53805

⸱

April 1st, 2016

 , 
1Department of Mechanical Engineering, University of California, Riverside, 2Department of Bioengineering, University of California, Riverside, 3Stem Cell Center, University of California, Riverside

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מדגימים את השימוש בדבקים אירוסול בדוגמת לבנות מכשירים microfluidic נייר 3D. שיטה זו של טפסי בקשה דבקים אג"ח חצי קבוע בין שכבות, מה שמאפשר מכשירים לשימוש חד-פעמיים להיות הלא הרסנית מפורק לאחר שימוש כדי להקל מבני nonplanar מורכבים מתקפל.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מדגימים את השימוש בדבקי אירוסול מעוצבים לבניית התקנים מיקרופלואידיים נייר תלת מימדיים מישוריים ולא מישוריים. על ידי ריסוס דבק אירוסול דרך שבלונה מתכתית, ניתן להפחית משמעותית את כמות הדבק הכוללת המשמשת להרכבת התקנים מיקרופלואידיים מנייר. אנו מראים על מכשיר מיקרופלואידי נייר מישורי פשוט בן 4 שכבות כי טכניקת יישום הדבק האופטימלית וסגנון בניית המכשיר תלויים במידה רבה במאפייני הביצועים הרצויים. על ידי הגדלה מתונה של השטח הכולל של המכשיר, ניתן להפחית באופן דרמטי את זמן הפתילה ולהגדיל את שיעורי ההצלחה של המכשיר תוך הפחתת כמות הדבק הנדרשת כדי לשמור על המכשיר יחד. יישום דבק כזה גם גורם לדבק ליצור קשרים קבועים למחצה במקום קשרים קבועים בין שכבות הנייר, מה שמאפשר לפרק מכשירים חד פעמיים בצורה לא הרסנית לאחר השימוש. התקני אוריגמי תלת מימדיים לא מישוריים נהנים גם מהקשרים הקבועים למחצה במהלך הקיפול, מכיוון שהוא מפחית את הסבירות שפנים לא קשורות עלולות להידבק בטעות זו לזו. בדומה למכשירים מישוריים, מבנים לא מישוריים רואים זמני פתילה מופחתים עם יישום דבק מעוצב לעומת דבק מיושם באופן אחיד.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בשנים האחרונות, מיקרופלואידיקה נייר צברה פופולריות רבה עבור הפוטנציאל שלה כדי לספק נקודה נמוכה עלות הטיפול (POC) מכשירים לאבחון. 1-3 מכשירי POC להציע פונקציונליות דומה לאלו של בדיקות מבוססות מעבדה במתכונת המאפשרת להציג תוצאות להיות מתקבל במהירות יחסית. התקני POC עשויים מנייר הם בעלות נמוכה, קלה משקל, וחלופות קלות לשימוש שבבי microfluidic יקר ומעבדות מיניאטורי, מה שהופך אותם אידיאליים לשימוש הגדרות משאב מוגבל. מכשירי microfluidic הנייר הנפוץ ביותר הם מכשירי זרימה לרוחב חד ממדיים, אבל מישוריים תלת ממדי (3D) נייר מכשירי microfluidic להחזיק מבטיח לספק מכשירים לאבחון מרובבים 4 שתופסים טביעת רגל קטנה בהרבה יידרש על ידי מכשיר 2D 5 ו בהתאמה להשתמש נפח דגימה קטנה.

בתחילה, מכשירים microfluidic נייר 3D מישוריים רוכזו בנפרד, שכבה אחר שכבה wiה בדוגמת שכבות נייר לסירוגין עם דבק דו-צדדי בחיתוך לייזר. בזהירות חורים מיושרים לחתוך בשכבת הקלטת התמלאו אבקה תאית כדי להבטיח תחבורה נוזלת-שכבה פן. 4 מספר השיטות החלופיות פותח לאחר מכן, 6-9 בכל היבטים שונים שיפור של המכשירים. בפרט, על ידי הימנעות דבקה, הטמנת מטעני חבלה עשויות להיות מקופל באמצעות טכניקות אוריגמי עם שכבות מוחזקות ביחד על ידי מהדק חיצוני. 8 זה מבטל כל הפרעה דבקה פוטנציאלית בדיקת אבחון ומאפשר המכשיר להיות פרש לשימוש פוסט, פוטנציאל המאפשר מדגם קטן עוד יותר כרכים על ידי הצגת תוצאות פנימיות. לחלופין, באמצעות דבק אירוסול מוחל בין כל שכבת נייר, גיליונות של הטמנת מטעני חבלה עשויים להיות התאספו בו זמנית, ללא זמן רב דפוסים ויישור של סרט. 9

עם זאת, על ידי יישום דבק אירוסול דרך סטנסיל, אפשר להרוויח את היתרון שלשתי טכניקות אלו. על ידי ריסוס הדבק דרך סטנסיל, רק חלק קטן של הדבק מוחל על המכשיר, מזעור כל הפרעה אפשרית עם העברת נוזל interlayer. בנוסף, עם מבחר סטנסיל זהיר, דפוס של דבק יכול להיות מיושם כי תוצאות מליטות דבק חצי קבוע, המאפשרות התקנים להיות פרש לאחר שימוש, תוך מתן קשר interlayer מספיק כדי לאפשר נוזל פתיל בין שכבות.

לבסוף, החלת דבקים אירוסול דרך סטנסיל מקלה על ידי בניית התקן microfluidic נייר 3D nonplanar, על ידי הפחתת כמות של דבק להחיל פרצופים סמוכים שיחייבו מתקפלים תכופים ופתיחה במהלך הבנייה. 10 בנוסף, השימוש של דבק בדוגמת מאפשר למכשיר להיות פרש לאחר שימוש לאחסון נוח יותר. Nonplanar 3D מכשירים microfluidic נייר צפויים לשמש למשימות זה יהיה בלתי אפשרי אחרת בתוך devic 3D מישורייםה. איור 1 מתאר את זרימת התהליך הכללית המשמשת לבניית שני מישורים והתקני 3D nonplanar.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. התקן 4 שכבתיים מישורים (שכבות קונצנטרי) בנייה

  1. מערכי הדפס של כל שכבה של המכשיר 9 על כל פיסת נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה. 11,12 מקום כל נייר סינון על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. זה יהיה להמס את הדיו מבוסס השעווה ולאפשר לו לחדור בעובי מלא של נייר, ויצר מחסומים הידרופובי.
    ההערה: העיצובים המדויקים בשימוש זמינים כקבצי משלים.
  2. הסר מסנן נייר פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT.
  3. פיקדון 4 μl של 5 מ"מ צבע (אדום: האדום Allura; צהוב: tartrazine; כחול: erioglaucine Disodium מלח; ירוק: 10: 1 תערובת של tartrazine: erioglaucine Disodium מלח) בכל סניף (צבע אחד לסניף) של שכבה 3 (השלישי שכבה מהחלק העליון של המכשיר הושלם) באמצעות micropipette.
  4. להתחיל עם השכבה ביותר התחתונה. הצמד את נייר הסינון בין סטנסיל גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת, באמצעות קליפ קלסרים, או שיטה אחרת זמני דומה. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד העיתון. זה יהיה למזער כל צללים ספריי שמטילים סטנסיל על הנייר.
  5. החל דבק (ראה רשימת חומרים וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 סנטימטר. 9,10 במהלך תקופה זו, להזיז את הפחית דבקה פני השבלונה בקצב בינוני. איטי מדי של נסיעות ברחבי סטנסיל יגרום דבק להצטבר על השבלונה עצמו, וסותם אותו. מהיר מדי של נסיעות ייכשל להפקיד דבק מספיק על הנייר. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי.
  6. הסר סטנסיל ולמקם את השכבה הבאה של המכשיר (שכבות ממוספרות זמינות כקבצי משלימה) על גבי השכבה רססה טרי, יישור קצות הנייר. בתוקף ללחוץ על שתי השכבות יחד.
  7. חלף סטנסיל וחזור על תהליך הריסוס עבור כל שכבה של המכשיר. הסר את stack של מכשירים ומקום אריזת קלטת ברחבי השכבה התחתונה. זה מונע כל דליפת נוזל מהמכשיר. מכשירים בודדים חותך מהגיליון באמצעות מספריים, בעקבות קצה האזור המודפס.

2. התקן 4 שכבתיים מישורים (שכבות מקופלות אוריגמי) בנייה

  1. גיליונות הדפסה המכילים את כל השכבות של המכשיר על גבי נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה. מניחים נייר הסינון על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. הסר מסנן נייר פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT.
    ההערה: העיצובים המדויקים בשימוש זמינים כקבצי משלים.
  2. פיקדון 4 μl של 5 מ"מ צבע (אדום: האדום Allura; צהוב: tartrazine; כחול: erioglaucine Disodium מלח; ירוק: 10: 1 תערובת של tartrazine: erioglaucine Disodium מלח) בכל סניף (צבע אחד לסניף) של שכבה 3 (השלישי שכבה מהחלק העליון של המכשיר הושלם) באמצעות micropipette.
  3. הצמד את גיליון התקנים בין סטנסיל גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת, באמצעות binderclips, או שיטה אחרת זמני דומה. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד העיתון.
  4. החל דבק (ראה רשימת חומרים וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 ס"מ. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי.
  5. הסר סטנסיל והפוך את הגיליון. חלף סטנסיל ולרסס בצד האחורי של נייר. הסר את הגיליון של מכשירים ולהתחיל מתקפלים בתוך חריץ אקורדיון, כמתואר באיור 1. חותכים כל מכשיר מ- גיליון באמצעות מספריים, בעקבות קצה האזור המודפס. מניח אריזה קלטת ברחבי השכבה התחתונה.

3. Nonplanar בניית Device (אוריגמי)

  1. התקן הדפסה (איור 2 א) על נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצקה ולמקם את נייר הסינון על צלחת חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. הסר מההתקן פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT.
    הערה:העיצובים המדויקים המשמש זמינים כקבצי משלים.
  2. קמט הדפסת דפוס (איור 2 ג) על גבי נייר למדפסת באמצעות מדפסת דיו מוצקה לחתוך לגודל של נייר הסינון. מניחים תבנית קמט על פלטה חמה ב 170 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות, כדי להמיס את השעווה, גרימת התבנית להיות גלוי משני צידי הנייר. הסר קו הקפל מן פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר RT.
  3. יישר את הקצוות של דפוס קמט על קצות הנייר המכיל את דפוסי ערוץ ולצרף את שתי פיסות נייר באמצעות קליפים קלסר, או שיטה אחרת זמני דומה.
  4. עקוב אחר דפוס הקמט עם עט בוטה, הפעיל כוח מספיק כי ומופיעים סימנים על הסדין המכשיר, אבל לא כל כך קשה כי נייר דפוס קמט קורע. במקרה כזה, המכשיר מסתכנת בכך נזק. Precreasing גורמת נייר לקפל בקלות רבה יותר וגם מאפשרת דיוק רב יותר ודיוק מתקפל.
  5. בגין מתקפל המכשיר עם הר ועמקמקפל פי דפוס הקמט. לאחר הדבק מיושם, את המכשיר כולו צריך להרכיב אותו מהר מאוד, כך לקפל את המכשיר ככל האפשר לפני היישום דבק מאוד עוזר.
  6. ברגע שהמכשיר הוא מקופל, נפרשים המכשיר לחשוף חלקים של מכשיר שדורשים דבק. לגזור מסכות (2D איור) המגבילים בהם על דבק עם התקן זה עשוי להיות מיושם, באמצעות סכין גילוח.
  7. הצמד את המכשיר בין סטנסיל מסיכת גיבוי נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת. ודא כי הסטנסיל הוא שטוח נגד המכשיר. החל דבק (ראה חומרי רשימה וציוד) עם כ 1.33 שניות (ארבע-ספירה של 180 פעימות לדקה) לרסס מכ 24 סנטימטר. ארבעה עוברים בתקופה זו (למעלה למטה-למעלה-למטה) מספיקים במניעת צללים ספריי. הסר סטנסיל והפוך את הגיליון. החלף סטנסיל להסוות ולרסס בצד האחורי של הנייר.
  8. מיד להסיר מההתקן סטנסיל ולהתחיל קיפולהֶתקֵן. ברגע שהמכשיר הוא מקופל לחלוטין, הפעל לחץ קל על הדבק המכיל חלק עד הדבק התייבש.
    הערה: ייבוש הזמן של הדבק רגיש מאוד לח סביבה, כך במקומות עם לחות נמוכה, מתקפלים בתא לחות מבוקר כך נשארת יותר זמן לקפל את המכשיר.

4. מבחן פתילה עבור התקני 4 שכבתיים

  1. אקראי לבחור 20 מכשירים, התאספו בעבר לפי הפרוטוקולים לעיל. התקני מקום במיקום מוגנים מפני כל רוח או משבים למזער אידוי. פיקדון 40 μl מים על המפרצון של כל התקן. רשום את משך הזמן שלוקח כל התקן כדי לקבל את כל המכירה שלה מלא לחלוטין עם צבע.

5. אוריגמי פתילת השוואה

  1. לבנות שני טווסים אוריגמי - אחד על פי הפרוטוקול הנ"ל (סעיף 3), והשני ללא שימוש סטנסיל במהלך יישום דבק.
  2. הכנס קצה אחד של p קטןaper עופרת (כ 5 מ"מ רוחב 5 ס"מ) לתוך הגוף של כל טווס.
  3. מניחים שני טווסים בתא שמר בלחות יחסית גבוהה (> 90%) על מנת למזער התאדות. מניחים כל רגל ועופרת של כל טווס לתוך מיכל מלא עם 5 לצבוע מ"מ (אדום: Allura אדום, צהוב: tartrazine, כחול: מלח disodium erioglaucine). שיא פתילת תהליך עם מצלמה דיגיטלית.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בדיקות המכשיר 4 השכבתיות בוצעו בתא אטום, מגנה עליהם מפני כל רוח או משבים שעלולות לגרום אידוי היתר של נפח הנוזל שהופקד המוגבל. רוב הפתילה בתחום ההתקנים 4 השכבתיים הוא בשכבות ביניים של המכשיר, כך הבדלי פתילה במהירויות עקב התאדות היו צפויים להיות מינימאלי. בנוסף, יש פתילה לרוחב מינימאלית, עם רק 13 מ"מ בין הכניסה וכל שקע יחיד, דבר המצביע על כך וריאציות פעמי פתילה צפויות עקב העברה אנכית, interlayer נוזל. ממוצע פעמי פתילה ושיעורי הצלחה למכשירי 4 שכבתיים ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפרוטוקולים מעל להשתמש גליונות מחוררים מתכתיים כמו סטנסילים להחלת דבקים אירוסול לבנות מישוריים והתקנים microfluidic נייר 3D nonplanar. במכשירים מישוריים, זה יש את היתרון של מה שמאפשר למכשירים להיות פרשים לחלוטין לאחר הדבק התייבש מבלי להרוס את המכשיר. בשנת טכניקות בנייה אחרות המבוססים דבקות, זה כמעט בלתי אפשרי, אם כי, עיצובים מסוימים מאפשרים פירוק הרסני חלקית על ידי בקילוף לשני חצאים החזיקו יחד עם דבק נשלף. 14 בניית Adhesiveless אין לאפשר להתקנים להיפתח לאחר שימוש, אך דו...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

החוקרים אין לי מה לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכת על ידי קרן ממנהל Bourns המכללה האקדמית להנדסה של אוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד. BK קבל מלגה מן פרס זיכרון ריאות-וון צא תכנון מכאני.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
מצלמהNikonD5100
מדפסת דיו מוצקXeroxColorQube 8880
HotplateTorrey PinesHS60
תא לחותElectro-Tech Systems5503-E
ספריי דבק3M62497749309Super 77 (פחית 16.75 אונקיות)
נייר סינוןWhatmanGrade 4
יריעת פלדה מחוררתMetalsDepotPS16116
טרטרזיןסיגמא-אלדריץ'T0388
Allura RedSigma-Aldritch458848
מלח דיסודיום Erioglaucineסיגמא-אלדריץ'861146

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 11301-11313 (2012).
  2. Yetisen, A. K., Akram, M. S., Lowe, C. R. Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab Chip. 13, 2210-2251 (2013).
  3. Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal Chem. 87, 19-41 (2015).
  4. Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 19606-19611 (2008).
  5. Fu, E., Ramsey, S. A., Kauffman, P., Lutz, B., Yager, P. Transport in two-dimensional paper networks. Microfluid Nanofluidics. 10, 29-35 (2011).
  6. Govindarajan, A. V., Ramachandran, S., Vigil, G. D., Yager, P., Bohringer, K. F. A low cost point-of-care viscous sample preparation device for molecular diagnosis in the developing world; an example of microfluidic origami. Lab Chip. 12, 174-181 (2012).
  7. Schilling, K. M., Jauregui, D., Martinez, A. W. Paper and toner three-dimensional fluidic devices: programming fluid flow to improve point-of-care diagnostics. Lab Chip. 13, 628-631 (2013).
  8. Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J Am Chem Soc. 133, 17564-17566 (2011).
  9. Lewis, G. G., DiTucci, M. J., Baker, M. S., Phillips, S. T. High throughput method for prototyping three-dimensional, paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 12, 2630-2633 (2012).
  10. Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14, 4354-4361 (2014).
  11. Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Anal Chem. 81, 7091-7095 (2009).
  12. Lu, Y., Shi, W., Jiang, L., Qin, J., Lin, B. Rapid prototyping of paper-based microfluidics with wax for low-cost, portable bioassay. Electrophoresis. 30, 1497-1500 (2009).
  13. Maekawa, J. Genuine Japanese origami. , Dover Publications, Inc.. Dover edition (2012).
  14. Schonhorn, J. E., et al. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14, 4653-4658 (2014).
  15. Guan, J. J., He, H. Y., Hansford, D. J., Lee, L. J. Self-folding of three-dimensional hydrogel microstructures. J Phys Chem B. 109, 23134-23137 (2005).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Paper Microfluidic DevicesAdhesive PatterningAerosol AdhesivePlanar DevicesNonplanar DevicesWicking TimeDevice AssemblyFluid RoutingCrease PatternSemi Permanent Bonds

Related Articles