Utilizzando adesivo Patterning per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D

Summary

Dimostriamo l'uso di adesivi aerosol fantasia per costruire dispositivi microfluidici carta 3D. Questo metodo di moduli di domanda adesivi obbligazioni semi-permanenti tra gli strati, consentendo dispositivi monouso di essere non distruttiva smontato dopo l'uso e per facilitare le strutture non planari pieghevole complesse.

Abstract

Dimostriamo l'uso di adesivi aerosol modellati per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D sia planari che non planari. Spruzzando un adesivo aerosol attraverso uno stencil metallico, la quantità complessiva di adesivo utilizzata nell'assemblaggio di dispositivi microfluidici di carta può essere significativamente ridotta. Mostriamo su un semplice dispositivo microfluidico di carta planare a 4 strati che la tecnica di applicazione dell'adesivo ottimale e lo stile di costruzione del dispositivo dipendono fortemente dalle caratteristiche prestazionali desiderate. Aumentando moderatamente l'area complessiva di un dispositivo, è possibile ridurre drasticamente il tempo di assorbimento e aumentare le percentuali di successo del dispositivo, riducendo anche la quantità di adesivo necessaria per tenere insieme il dispositivo. Tale applicazione dell'adesivo fa sì che l'adesivo formi legami semipermanenti invece di legami permanenti tra gli strati di carta, consentendo lo smontaggio non distruttivo dei dispositivi monouso dopo l'uso. Anche i dispositivi origami 3D non planari beneficiano dei legami semipermanenti durante la piegatura, in quanto riducono la probabilità che facce non correlate possano accidentalmente unirsi tra loro. Come i dispositivi planari, le strutture non planari vedono tempi di traspirazione ridotti con l'applicazione di adesivo modellato rispetto all'adesivo applicato in modo uniforme.

Introduction

Negli ultimi anni, la carta microfluidica ha raccolto una notevole popolarità per il suo potenziale per fornire point a basso costo delle cure (POC) dispositivi diagnostici. ^1-3 dispositivi POC offrono funzionalità simili a quelle dei test di laboratorio, con sede in un formato che permette risulta essere ottenuto in tempi relativamente brevi. dispositivi POC in carta sono a basso costo, leggero e alternative facili da usare per costosi chip di microfluidica e laboratori miniaturizzati, che li rende ideali per l'utilizzo in ambienti con risorse limitate. I dispositivi microfluidici carta più comuni sono dispositivi di flusso laterali monodimensionali, ma planare tridimensionale (3D) di carta dispositivi microfluidici tengono promettono di fornire dispositivi diagnostici multiplex ⁴ che occupano un ingombro molto più piccolo di quello richiesto da un dispositivo 2D ⁵ e corrispondentemente utilizzare un volume campione più piccolo.

Inizialmente, carta 3D planare dispositivi microfluidici stati assemblati, layer-by-layer wiesimo modellato strati di carta si alternano con il laser-cut nastro biadesivo. Fori allineati accuratamente tagliato nello strato di nastro erano pieni di polvere di cellulosa per garantire inter-strato di trasporto di liquidi. ⁴ Un certo numero di metodi alternativi sono stati ulteriormente sviluppati, ^6-9 ciascuno migliorando diversi aspetti dei dispositivi. In particolare, evitando adesivi, i dispositivi potrebbero essere piegati tramite tecniche origami con strati tenuti insieme da un morsetto esterno. ⁸ Questo elimina qualsiasi interferenza potenziale adesivo in un test diagnostico e permette al dispositivo di essere dispiegata post-utilizzo, potenzialmente permettendo campione ancora più piccolo volumi di visualizzazione dei risultati internamente. In alternativa, utilizzando un adesivo aerosol applicata tra ogni strato di carta, fogli di dispositivi possono essere montati simultaneamente, senza tempo patterning e l'allineamento del nastro. ⁹

Tuttavia, applicando un adesivo aerosol attraverso uno stencil, è possibile ottenere il vantaggio dientrambe queste tecniche. Spruzzando l'adesivo attraverso uno stampino, solo una frazione di adesivo viene applicato al dispositivo, riducendo al minimo possibili interferenze con il trasferimento di fluidi interstrato. Inoltre, con la selezione attenta stampino, un modello di adesivo può essere applicato che si traduce in incollaggio semi-permanente, consentendo dispositivi di essere spiegati dopo l'uso, pur fornendo sufficienti contatti interstrato per consentire il fluido per favorire tra gli strati.

Infine, applicando adesivi aerosol attraverso uno stampino facilita la costruzione di dispositivi microfluidici carta 3D non planari, minimizzando la quantità di adesivo applicato alle facce adiacenti che possono richiedere piegatura frequente e svolgimento durante la costruzione. ¹⁰ Inoltre, l'uso di adesivo modellato permette dispositivo per essere spiegato dopo l'uso per lo stoccaggio più conveniente. dispositivi microfluidici carta non planare 3D dovrebbero essere utilizzati per compiti che altrimenti sarebbero impossibili in un Devic planare 3De. La figura 1 illustra il flusso del processo generale utilizzato per costruire sia dispositivi 3D non planari planare e.

Protocol

1. Planar dispositivo 4-layer (strati sovrapposti) Costruzione

1. Matrici di stampa di ogni strato del dispositivo ⁹ su ogni pezzo di carta da filtro con una stampante a inchiostro solido. ^11,12 collocare ogni carta filtro su una piastra riscaldante a 170 ° C per 2 min. Questo si scioglierà l'inchiostro a base di cera e farlo penetrare completamente lo spessore della carta, formando barriere idrofobi.
   NOTA: I disegni precisi utilizzati sono disponibili come file supplementari.
2. Rimuovere la carta filtro dalla piastra e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
3. Deposito 4 ml di 5 dye mm (rosso: rosso allura; giallo: tartrazina; blu: sale disodico erioglaucine; verde: 10: 1 mix di tartrazina: erioglaucine sale disodico) in ciascun ramo (un colore per ramo) di livello 3 (terzo strato dalla parte superiore del dispositivo completato) utilizzando una micropipetta.
4. Inizia con il livello più in basso. Fissare la carta da filtro tra la sagoma e un supporto rigido, ad esempio un pezzo di vetro piatto, utilizzando clip legantes, o un altro metodo temporaneo simile. Assicurarsi che lo stencil è piatta contro la carta. Questo ridurrà al minimo eventuali ombre proiettate da spruzzo lo stencil sulla carta.
5. Applicare l'adesivo (vedi elenco dei materiali e delle attrezzature), con un secondo di circa 1,33 (un quattro-count a 180 bpm) a spruzzo da circa 24 cm. ^9,10 Durante questo tempo, spostare la lattina di adesivo attraverso lo stencil a un ritmo medio. Troppo lento della corsa attraverso la matrice causerà adesivo ad accumularsi sulla stencil stesso, intasamento. Troppo rapida della corsa non riuscirà a depositare adesiva sufficiente sulla carta. Quattro passaggi in questo periodo (su-giù-su-giù) sono sufficienti a prevenire le ombre a spruzzo.
6. Rimuovere stencil e posizionare il successivo strato del dispositivo (strati numerati sono disponibili come file supplementari) sopra allo strato appena spruzzato, allineando i bordi della carta. Premere con forza i due strati insieme.
7. Sostituire stencil e ripetere il processo di spruzzatura per ogni strato del dispositivo. Rimuovere la STAck di dispositivi e luogo di imballaggio nastro attraverso lo strato inferiore. Questo impedisce qualsiasi perdita di fluido dal dispositivo. Tagliare singoli dispositivi dal foglio con le forbici, seguendo il bordo della regione stampata.

2. Planar dispositivo a 4 strati (Layer Origami piegato) Costruzione

1. fogli di stampa che contengono tutti gli strati del dispositivo su carta da filtro utilizzando una stampante a inchiostro solido. Posizionare la carta filtro su una piastra riscaldante a 170 ° C per 2 min. Rimuovere la carta filtro dalla piastra e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
   NOTA: I disegni precisi utilizzati sono disponibili come file supplementari.
2. Deposito 4 ml di 5 dye mm (rosso: rosso allura; giallo: tartrazina; blu: sale disodico erioglaucine; verde: 10: 1 mix di tartrazina: erioglaucine sale disodico) in ciascun ramo (un colore per ramo) di livello 3 (terzo strato dalla parte superiore del dispositivo completata) via micropipetta.
3. Bloccare il foglio di dispositivi tra la sagoma e un supporto rigido, ad esempio un pezzo di vetro piatto, Utilizzando binderclips, o un altro metodo temporaneo simile. Assicurarsi che lo stencil è piatta contro la carta.
4. Applicare l'adesivo (vedi elenco dei materiali e delle attrezzature), con un secondo di circa 1,33 (un quattro-count a 180 bpm) a spruzzo da circa 24 cm. Quattro passaggi in questo periodo (su-giù-su-giù) sono sufficienti a prevenire le ombre a spruzzo.
5. Rimuovere stencil e girare il foglio. Sostituire stencil e spruzzare retro della carta. Rimuovere il foglio di dispositivi e iniziare pieghevole in una piega fisarmonica, come illustrato in Figura 1. Tagliare ogni dispositivo dal foglio con le forbici, seguendo il bordo della regione stampata. Posizionare il nastro di imballaggio attraverso lo strato inferiore.

3. non planare (Origami) costruzione dispositivo

1. Dispositivo di stampa (Figura 2A) su carta da filtro utilizzando una stampante inchiostro solido e posizionare la carta da filtro su una piastra calda a 170 ° C per 2 min. Rimuovere dispositivo dalla piastra e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
   NOTA:I disegni precisi utilizzati sono disponibili come file supplementari.
2. Stampa piega pattern (Figura 2C) su carta stampante utilizzando una stampante inchiostro solido e tagliati nelle dimensioni della carta da filtro. Posizionare modello piega su una piastra riscaldante a 170 ° C per 2 min, per fondere la cera, causando il modello per essere visibili da entrambi i lati del foglio. Rimuovere modello piega dalla piastra e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente.
3. Allineare i bordi del modello piega ai bordi della carta contenente i modelli di canale e collegare i due pezzi di carta utilizzando clip legante, o un altro metodo temporaneo simile.
4. Tracciare il modello piega con una punta smussata, applicando abbastanza forza che sono segni sul foglio di dispositivo, ma non è così difficile che la carta modello piega strappa. In tal caso, il dispositivo rischia di essere danneggiato. Precreasing provoca la carta da piegare molto più facilmente e permette una maggiore accuratezza e precisione in piega.
5. Iniziare piegare il dispositivo con la montagna e vallepieghe secondo il modello piega. Una volta che l'adesivo è stato applicato, l'intero dispositivo deve essere montato molto rapidamente, quindi piegando il dispositivo il più possibile prima dell'applicazione dell'adesivo è molto utile.
6. Una volta che il dispositivo è ripiegato, aprire il dispositivo per esporre le porzioni del dispositivo che richiedono adesivo. Tagliare maschere (Figura 2D) che limitano dove sull'adesivo dispositivo può essere applicato, con una lama di rasoio.
7. Bloccare il dispositivo tra la sagoma e maschera e un supporto rigido, ad esempio un pezzo di vetro piatto. Assicurarsi che lo stencil è piatto contro il dispositivo. Applicare l'adesivo (vedi materiali e delle attrezzature della lista) con un secondo di circa 1,33 (un quattro-count a 180 bpm) a spruzzo da circa 24 cm. Quattro passaggi in questo periodo (su-giù-su-giù) sono sufficienti a prevenire le ombre a spruzzo. Rimuovere stencil e girare il foglio. Sostituire stencil e maschera e spruzzare retro della carta.
8. Rimuovere immediatamente dispositivo da stencil e iniziare a piegare ladispositivo. Una volta che il dispositivo è completamente ripiegato, applicare pressione alla porzione adesivo contenente fino l'adesivo si è asciugato.
   NOTA: Il tempo di asciugatura del collante è molto sensibile all'umidità ambientale, così in ambienti con bassa umidità, pieghevoli in una camera controllata umidità permette più tempo per piegare il dispositivo.

4. Wicking di prova per dispositivi 4-layer

1. Casualmente selezionare 20 dispositivi, precedentemente montati secondo i protocolli di cui sopra. dispositivi Mettere in un luogo al riparo da qualsiasi vento o brezze per ridurre al minimo l'evaporazione. Cassetta 40 microlitri di acqua in ingresso di ciascun dispositivo. Registrare il tempo impiegato da ciascun dispositivo di avere tutti i suoi punti completamente riempito con la tintura.

5. Origami Wicking Confronto

1. Costruire due pavoni Origami - uno secondo il protocollo sopra (punto 3), e l'altro senza l'uso di uno stampino durante l'applicazione dell'adesivo.
2. Inserire un'estremità di un piccolo pAPER piombo (circa 5 mm di larghezza di 5 cm di lunghezza) nel corpo di ogni pavone.
3. Posizionare entrambi pavoni in una camera mantenuta ad un'umidità relativa elevata (> 90%) per ridurre al minimo l'evaporazione. Mettere ogni gamba e piombo di ogni pavone in un contenitore riempito con 5 mM di colorante (rosso: rosso allura, giallo: tartrazina, blu: erioglaucine sale disodico). Record processo traspirante con una fotocamera digitale.

Results

I test del dispositivo 4 strati sono stati eseguiti in una camera sigillata, proteggendoli da qualsiasi vento o brezza che potrebbe causare eccessiva evaporazione del volume del fluido depositato limitato. La maggior parte del assorbimento nei dispositivi 4-layer è negli strati intermedi del dispositivo, per cui le differenze di traspirazione velocità a causa dell'evaporazione avrebbero dovuto essere minimo. Inoltre, vi è l'assorbimento laterale minimo, con soli 13 mm tra l'ingresso e un...

Discussion

I protocolli di cui sopra utilizzano lamiere forate come stampini per l'applicazione di adesivi aerosol per la costruzione di planare e dispositivi microfluidici carta 3D non planari. Nei dispositivi planari, questo ha il vantaggio di dispositivi che consentano di essere completamente dispiegata dopo che l'adesivo si è asciugato senza distruggere il dispositivo. In altre tecniche di costruzione adesivi a base, questo è quasi impossibile, anche se, alcuni disegni permettono parziale smontaggio distruttivo staccan...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fotocamera	Nikon	D5100
Stampante a inchiostro solido	Xerox	ColorQube 8880
Piastra riscaldante	Torrey Pines	HS60
Camera di umidità	Electro-Tech Systems	5503-E
Adesivo spray	3M	62497749309	Super 77 (lattina da 16,75 once)
Carta da filtro	Whatman	Grado 4
Lamiera d'acciaio perforata	MetalsDepot	PS16116
Tartrazina	Sigma-Aldritch	T0388
Rosso Allura	Sigma-Aldritch	458848
Sale disodico Erioglaucina	Sigma-Aldritch	861146