באמצעות דפוסים דבקים כדי לבנות התקני 3D נייר Microfluidic
1 באפריל 2016
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.
המטרה הכוללת של טכניקה זו היא ליצור התקנים מיקרופלואידיים תלת מימדיים נייר מישוריים ולא מישוריים המסוגלים להיפרש במהלך הבנייה ולאחר השימוש באמצעות דפוס של דבק אירוסול. שיטה זו פותחת מרחב עיצוב חדש לגמרי למיקרופלואידיקה מנייר, על ידי הסרת אילוצים שמנעו בעבר מחוקרים לייצר רשתות ערוצים רגילות. היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם בכך שהיא מפחיתה משמעותית את כמות הדבק המיושמת במהלך ייצור מכשירים מיקרופלואידיים מנייר, ושהיא מאפשרת בניית מעגלים מיקרופלואידיים תלת מימדיים מנייר לא מישוריים.
ראשית, הדפס מערך של כל שכבה עבור המכשיר על נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצק. הניחו כל נייר סינון על פלטה חמה בטמפרטורה של 170 מעלות צלזיוס למשך שתי דקות, כדי להמיס את הדיו על בסיס שעווה, ולאפשר לו לחדור במלואו לתוך הנייר וליצור מחסומים הידרופוביים. לאחר שהנייר התקרר, שים צבע שונה בכל אחד מענפי שכבה שלוש באמצעות מיקרופיפטה.
ארבעה מיקרוליטר של חמישה צבעים מילי-מולאריים יספיקו. עכשיו, התחילו בבנייה. ראשית, מהדקים את השכבה התחתונה ביותר בין השבלונה לגב נוקשה, כגון חתיכת זכוכית צלחת.
ודא שהשבלונה שטוחה כנגד הנייר כדי למזער צללי ריסוס. לאחר מכן, הגדר מטרונום ל -180 פעימות לדקה ורסס דבק ממרחק של כ -24 סנטימטרים למשך ארבע פעימות. העבר את הפחית על פני השבלונה בארבע תנועות שוות.
אם הפחית מועברת לאט מדי, הדבק יצטבר על השבלונה עצמה ויסתום את השבלונה. אם הפחית מועברת מהר מדי, לא יוחל מספיק דבק. לאחר מכן, הסר את השבלונה ומקם את השכבה הבאה של המכשיר מעל השכבה הטרייה שרוססה טרייה, ויישר אותם בזהירות בקצוות.
לחץ בחוזקה את השכבות זו לזו. לאחר מכן, רססו את הדבק שוב. המשך בתהליך זה עד שכל השכבות נדבקות היטב.
על הערימה בת ארבע השכבות, הדביקו רצועת סרט אריזה על פני השכבה התחתונה כדי למנוע דליפת נוזלים החוצה. לאחר מכן, ניתן לחתוך מכשירים בודדים מהערימה לפי התבנית המודפסת. כמו בהליך הקודם, הדפיסו את המכשיר על נייר סינון באמצעות מדפסת דיו מוצק והמיסו את הדיו על פלטה חמה בחום של 170 מעלות צלזיוס למשך שתי דקות.
עבור הליך זה, הדפס גם את תבנית הקמטים באותו אופן, אך על נייר מדפסת רגיל. לאחר שההדפסות התקררו, יישר את קווי דוגמת המילוי של הקמטים לקצוות דוגמאות המילוי של הערוץ. לאחר מכן, אבטח אותם באמצעות סרט.
לאחר מכן, עקוב אחר דפוס הקמט עם חרט קהה. הפעל מספיק כוח כדי לסמן את גיליון המכשיר אך אל תקרע את הנייר. אם מתרחש קרע, התחל מחדש.
טכניקה זו של קיפול מקדים מגבירה את הדיוק והדיוק של הקיפול. כעת, התחל לקפל את המכשיר באמצעות קפלי הרים ועמק בהתאם לתבנית הקמטים. קיפול לפני מריחת הדבק מסייע להאיץ את הרכבת המכשיר.
לאחר הקיפול, פתחו אותו כדי לחשוף את החלקים הדורשים דבק. לאחר מכן, בעזרת להב, גזרו מסכות כדי להגביל את המקום שבו יונח הדבק. כעת, מהדקים את המכשיר בצורה שטוחה בין השבלונה עם המסכה לגב נוקשה.
השתמש במטרונום כדי לפסק זמן של 1.3 שניות ולמרוח את הדבק כמו קודם. אם הלחות הסביבתית נמוכה, מרחו את הדבק באזור מבוקר לחות כדי שהדבק לא יתייבש מהר מדי. לאחר מכן, הסר את השבלונה והמסכה והפוך את הסדין.
לאחר מכן, רססו את הצד האחורי של הנייר באותו אופן. הסר מיד את המכשיר מהשבלונה והתחל לקפל את המכשיר. לאחר קיפול מלא של המכשיר, הפעל לחץ רציף על החלק המכיל דבק עד לייבושו.
כדי לבצע בדיקת פתילה במכשירים בעלי ארבע שכבות, בחר באופן אקראי 20 מכשירים. מקם את המכשירים במקום בו הם מוגנים מפני זרמי אוויר כדי למזער את האידוי. לאחר מכן, הפקידו 40 מיקרוליטר מים בכניסה של כל מכשיר.
רשום את הזמן שלוקח לכל מכשיר למלא לחלוטין את כל השקעים שלו בצבע. עבור מכשירי אוריגמי, השווה שני טווסים אוריגמי, האחד עשוי כפי שתואר קודם לכן, והשני נעשה ללא שימוש בשבלונה בזמן מריחת הדבק. לאחר מכן, הכניסו קצה אחד של חוט נייר קטן לגוף הטווס.
בלחות יחסית מבוקרת, מעל 90% הניחו כל רגל ואת כבל הנייר של כל טווס לתוך מיכל מלא בצבע של חמישה מילי-מולריות. הושוו זמני הפתילה הממוצעים ושיעורי ההצלחה עבור מכשירים ארבע שכבתיים שנבנו עם כמויות שונות של דבק מיושם. כיסוי דבק אחיד הביא לשיעורי הצלחה גבוהים יחסית שירדו עם הגדלת כמויות הדבק.
שיעורי ההצלחה היו גם גבוהים בהרבה עם זמני פתילה מהירים יותר כאשר הדבק המעוצב הונח על שני הצדדים, מאשר רק צד אחד. כשלים התרחשו בתדירות גבוהה יותר כאשר דבק הוחל רק על צד אחד. כשל אופייני במכשיר מוערם התאפיין בשקעים שלא הצליחו להתמלא לחלוטין בצבע או שלקח יותר מחמש דקות למלא.
במכשירים מקופלים אוריגמי, כשל במכשיר התאפיין בשקעים שלא הצליחו להתמלא בכמות צבע כלשהי. שקעים אלה היו ממוקמים אך ורק לאורך שני הקצוות של המכשיר שהכילו את הקמטים. על ידי הכפלת גודל הגבול סביב התעלות, שיעורי ההצלחה של יישומי דבק חד-צדדיים ודו-צדדיים גדלו.
שתי שיטות יישום הדבק הביאו למכשירים שניתבו בהצלחה נוזלים לאורך התעלות שלהם וללא ערבוב. עם זאת, המכשיר עם דבק אחיד היה איטי יותר באופן ניכר. בעת ניסיון הליך זה, חשוב להקפיד על מריחת דבק אחידה ועקבית.
שימו לב שיש למרוח דבק אירוסול רק באזורים מאווררים היטב. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליישם ולהשתמש בדבקים מעוצבים לבניית התקנים מיקרופלואידיים מנייר תלת מימד מישורי ולא מישוריים. טכניקה זו תאפשר לחוקרים לחקור את השימוש במבנים לא מישוריים כדי להשיג פונקציונליות שלא נמצאה בעבר במכשירים מישוריים, כגון הפעלה וחישה משולבים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג טכניקה חדשנית לבניית התקני מיקרופלואידיקה מנייר בתלת-ממד באמצעות דבקי אירוסול בתבניות. שיטה זו מאפשרת יצירה של מבנים מישוריים ולא-מישוריים, ומקלה על פירוק לא-הרסני לאחר השימוש.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מיקרופלואידיקה
- מדע החומרים
- הנדסה ביו-רפואית
רקע
- שיטות מסורתיות לייצור מיקרופלואידיקה מנייר מוגבלות על ידי אופן יישום הדבק.
- יצירת מבנים לא-מישוריים הייתה מאתגרת באמצעות הטכניקות הקיימות.
- דבקי אירוסול בתבניות יכולים להפחית משמעותית את כמות הדבק בשימוש.
- גישה זו פותחת אפשרויות תכנון חדשות עבור חוקרים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה ליצירת התקני מיקרופלואידיקה תלת-ממדיים מנייר.
- מתן אפשרות לפריסה של ההתקנים במהלך הבנייה ולאחר השימוש.
- הגברת הגמישות העיצובית של מיקרופלואידיקה מנייר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הדפיסו את שכבות המכשיר על נייר מסנן באמצעות מדפסת דיו מוצקה.
- חממו את הנייר המודפס על פלטה חמה כדי להמיס את הדיו מבוסס השעווה.
- אפשרו לדיו לחדור לנייר, ובכך ליצור מחסומים הידרופוביים.
- החדירו צבעי צבעה שונים לענפי המכשיר באמצעות מיקרופיפט.
תוצאות עיקריות
- הטכניקה מאפשרת בנייה של מעגלים תלת-ממדיים שאינם מישוריים.
- הושגה הפחתה משמעותית ביישום הדבק.
- ניתן לפרק את ההתקנים בקלות לאחר השימוש מבלי להשמידם.
- הוגדר מרחב עיצוב חדש עבור מיקרופלואידיקה מנייר.
מסקנות
- דבקי אירוסול בתבנית מספקים שיטה רב-גונית למיקרופלואידיקה תלת-ממדית.
- טכניקה זו משפרת את הפונקציונליות ואת נוחות השימוש של התקני נייר.
- מחקרים עתידיים יכולים לבחון יישומים נוספים של שיטה זו.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מריחה תבניתית של דבק אירוסול מאפשרת בנייה של התקני מיקרופלואידקה מנייר בתלת-ממד עם צריכת חומרים מופחתת ופירוק לא הרסני, מה שתומך בבניית אבות-טיפוס מהירה בשלבי פיתוח מוקדמים של בדיקות. גישה זו נותנת מענה לאתגרי סקילביליות ושחזור בפלטפורמות אבחוניות מבוססות נייר, על ידי מתן שליטה מדויקת במסלולי הזרימה ובשלמות ההתקן. הטכניקה מקלה על בדיקת עיצובים איטרטיבית ללא קישור קבוע, ובכך מפחיתה את בזבוז החומרים ומאיצה את ההערכה הפרה-קלינית של קונספטים מיקרופלואידיים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה פונקציונלית של רשתות ערוצים הידרופיליות להובלה וערבוב של ריאגנטים בביוסנסורים מבוססי נייר.
- ערך תפעולי: מפחית את צריכת הדבק במהלך בניית אב-טיפוס, ובכך מוריד את עלויות החומרים עבור איטרציות תכנוניות רבות.
- ערך חיזוי: תומך בהערכת דינמיקת הספיגה (wicking) ויעילות ניתוב הנוזלים, הקריטיות לביצועי בדיקות זרימה לרוחב (lateral flow assay).
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מאפשר יצירה של התקני נייר רב-שכבתיים עם נתיבי זרימה מוגדרים לעיבוד מקבילי של דגימות.
- ערך תפעולי: מקל על יישור וערימה של שכבות מודפסות באמצעות קשרים חצי-קבועים, ובכך משפר את השחזוריות של ההרכבה.
- יכולת הרחבה: יישום דבק בתבניות מפחית את הסיכונים לסתימות ומאפשר ציפוי אחיד על פני מערכי התקנים גדולים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך בהערכה של תוצאות המבוססות על צבע במכשירים מקופלי-אוריגמי עבור תרחישים של זיהוי בנקודת הטיפול (point-of-care).
- ערך תפעולי: מאפשר פירוק לא הרסני לאחר השימוש, מה שמאפשר השבה של רכיבים וניתוח כשלים.
- המשכיות תרגומית: מדגים כיצד תבנית דבק משפרת את שיעורי ההצלחה של המכשיר על ידי מזעור הידבקות בלתי רצויה בקיפולים מורכבים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף שבין הגילוי המוקדם לאופטימיזציה של הבדיקה, שבו בניית אב-טיפוס מהירה של ארכיטקטורות פלואידיות מנחה החלטות תכנוניות של אבחון בשלבים הבאים.
- ביולוגיה של גילוי (Discovery Biology): בחינת תכנונים של תעלות הידרופיליות ללכידת סמנים ביולוגיים ואינטראקציית ריאגנטים ללא קיבוע קבוע של ההתקן.
- סריקה (Screening): מאפשרת הזרמה סטנדרטית של נוזלים דרך פתחים מרובים באמצעות זמני ספיגה מבוקרים ומדדי שיעורי הצלחה.
- אנליטיקה (Analytics): מספקת תוצאות כמותיות מבוססות צבע להערכת חדירות נוזלים ומניעת ערבוב ברשתות מסועפות.
- מחקר תרגומי (Translational Research): מדגים כיצד הגדלת רוחב השוליים סביב התעלות משפרת את שיעורי ההצלחה הן ביישומים של דבק חד-צדדי והן ביישומים של דבק דו-צדדי.
- שימוש חוזר ארגוני (Enterprise Reuse): מציבה את יישום הדבק התבניתי כטכניקת פלטפורמה ניתנת לשימוש חוזר, הניתנת להתאמה למגוון תכנונים של מיקרופלואידיקה על נייר.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מאפשר ניתוב מדויק של נוזלים וממזער דילף (cross-talk) בין תעלות סמוכות במערכות מבוססות נייר.
- ערך תפעולי: מפחית בזבוז של חומר דביק ומונע סתימה של השבלונה באמצעות בקרה על תזמון ותנועת הריסוס.
- ערך אסטרטגי: תומך בהחלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) לגבי גאומטריית ההתקן על ידי ביסוס מתאם בין דפוסי הדבקה לבין מהירות ספיגה ואמינות מילוי פתחי היציאה.
- השפעה על הפורטפוליו: מאיץ את מחזורי תיקוף התכנון על ידי מתן אפשרות לפירוק לא הרסני ושימוש חוזר ברכיבים לצורך ניתוח כשלים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהדפסת דיו מבוסס שעווה ובתבנית תרמית ליצירת מחסומים הידרופוביים.
- נדרש ציוד ריסוס אירוסול הנשלט על ידי מטרונום להשקה עקבית של דבק.
- נדרש דיוק ביישור במהלך ערימת השכבות וקיפולי האוריגמי כדי לשמור על שלמות התעלות.
- נדרשת בקרה על הלחות הסביבתית למניעת התייבשות מוקדמת של הדבק במהלך היישום.
- מוגבל על ידי נקבוביות תשתית הנייר, המשפיעה על זמני הספיגה (wicking) ועל הרגישות של גילוי מבוסס צבע.
