Utilizzando adesivo Patterning per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D

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.

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.

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 una presa individuale, suggerendo che le variazioni nei tempi di traspirazione probabilmente a causa, trasferimento verticale fluido interstrato. Media volte dell'umidità e tassi di successo per i dispositivi 4-layer costruiti con diverse quantità di adesivo applicato sono riportati nella tabella 1.

Nei dispositivi impilati, copertura adesiva uniforme comportato relativamente alte percentuali di successo che diminuiti come abbiamo aumentato la quantità di adesivo. Covera adesivo Patternedge portato a tassi molto bassi di successo quando adesivo è stato applicato solo da un lato, ma aveva tassi di successo molto più alti e tempi di traspirazione più velocemente quando l'adesivo fantasia è stato applicato a entrambe le parti. Successi tipiche sono descritte nella Figura 3A. Ci sono diverse spiegazioni possibili per questo comportamento osservato, qualsiasi combinazione dei quali possono essere applicabili. L'adesivo applicato potrebbe bloccare fisicamente, parzialmente o completamente, i pori sulla superficie della carta, con un conseguente area di contatto effettiva minore tra strati di carta. Inoltre, l'adesivo si può agire come un altro substrato poroso, rivestimenti così pesanti di risulta adesivo in uno strato adesivo più spesso che il fluido deve stoppino attraverso, portando a tempi più traspirazione. Patterning l'adesivo, invece, crea adesivi "punti" che solo parzialmente occludono le aree di contatto, consentendo più fluido per favorire da strato di carta di strato di carta direttamente, che diminuisce traspirazione volte. Tuttavia, questo molto Reduczione nella copertura adesiva diminuisce anche la forza del legame adesivo tra gli strati di carta, con conseguente diminuzione dei tassi di successo quando il gonfiore delle fibre e le pieghe che si svolgevano causare strati si separino sufficiente che essi non sono più in contatto sono. Raddoppiando la dimensione del bordo attorno i canali (aumentando l'area dispositivo complessivamente del ~ 30%), i tassi di successo per entrambe le applicazioni adesive single e dual-sided aumentato. Un confronto tra le due dimensioni è mostrato in Figura 4. Tipica guasto del dispositivo stacked è stata caratterizzata da punti vendita che non sono riusciti a riempire completamente con la tintura, o hanno più di 5 minuti per riempire. Questo è illustrato nella Figura 3B.

Nei dispositivi origami piegato, la copertura adesiva uniforme portato a bassi tassi di successo con completo fallimento con conseguente quando si applica la quantità equivalente di adesivo presente nei dispositivi, uniforme, adesivi solo lato impilati. copertura adesiva Patternedetà portato a tassi di successo molto più bassi; Tuttavia, questa diminuzione è stata compensata mediante dispositivi leggermente più grande che ha avuto confini da 3 mm. guasto del dispositivo origami tipica è stata caratterizzata da punti vendita che non sono riusciti a riempire con qualsiasi quantità di colorante. Questi punti erano situati esclusivamente lungo i due lati del dispositivo che conteneva le pieghe. Questo è illustrato in Figura 3C.

Le masse di adesivo applicato sotto diversi metodi di spruzzatura sono mostrati in Tabella 2. La sopra descritta durata spruzzo di 1,33 sec (un conteggio quattro a 180 bpm) depositi 0,26 mg / cm 2 (massa secca) di adesivo quando spruzzato uniformemente attraverso il foglio di dispositivi, mentre solo il deposito di 0,02 mg / cm 2 (massa secca) quando spruzzato attraverso uno stencil che era aperto il 23%.

Nelle strutture 3D non planari, una copertura uniforme di adesivo portato pieghevole più difficili, come le facce adiacenti prematuramente bloccato insieme. Gli strati interni alla struttura non potevano essere spiegati volta che l'adesivo essiccato, e tentativi di farlo provocato triturati carta. la copertura adesiva Patterned reso pieghevole molto più facile, come ogni adesione accidentale era facilmente annullata. Quando l'adesivo essiccato, gli strati possono essere separati senza strappo o lacerazione della carta. Entrambi i metodi di applicazione di adesivo portato in dispositivi che instradato correttamente liquido la lunghezza dei canali e senza miscelazione; Tuttavia, il dispositivo con adesivo applicato uniformemente era notevolmente più lenta. Un time-lapse di questo assorbimento è mostrato in Figura 5. Wicking è stata eseguita in una camera controllata umidità mantenuta a> 90% di umidità relativa per minimizzare l'evaporazione, come evaporazione aumenta al diminuire dell'umidità relativa. A causa dei lunghi canali presenti in questo disegno, lunghe fino a 165 mm, l'evaporazione può aumentare significativamente il tempo di traspirazione, anche con un serbatoio di fluido infinita.

Figura 2. Modelli di pavone. Modello (A) Canale, dove il nero indica le regioni idrofobiche. (B) Le frecce indicano il percorso di ogni colorante. Cerchi indicano il punto di contatto tra gli strati e le linee tratteggiate indicano i percorsi traspirazione verticali. La lunghezza di ogni canale dal rispettivo ingresso al bordo della coda è indicata in millimetri. larghezze di canale in media tra 2 e3 mm nella regione di coda. (C) Crease Pattern (modificato da 13). Le linee rosse corrispondono a pieghe di montagna nella struttura finale; linee nere corrispondono a pieghe valle; linee blu corrispondono a pieghe che non siano piegati nella struttura finale, ma gli aiuti in fasi preliminari di piegatura. (D) Le maschere poste tra il dispositivo origami e lo stampino di metallo durante l'applicazione di adesivo, in cui vengono rimosse le parti bianche. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Successi e fallimenti tipici (A) Tipico successo -. Tutti i punti vendita completamente riempito con la tintura. (B) Tipico fallimento stacked - punti vendita che non è riuscita non aveva patt apparenteern nella loro distribuzione. (C) fallimento tipica origami - tutti i punti vendita che non sono riusciti a colmare erano situati lungo la più a sinistra o più a destra della colonna, più vicino alle pieghe. Tutte le barre di scala sono di 5 mm. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4. dimensione del dispositivo di confronto. (A) dispositivo più piccolo (1,6 mm di bordo). (B) dispositivo più grande (3 mm di bordo). Tutte le barre di scala sono di 5 mm. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Time lapse di Origami Pavone sinistra:. La copertura adesiva uniforme. A destra:. La copertura adesiva fantasia Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. Prestazioni dispositivo quattro strati. Media traspirante tariffe in tempo e di successo per le diverse condizioni di applicazione adesivi. N = 20.

Tabella 2. adesivo applicato Valori. Spessore di adesivo medio (massa secca) applicato su un quadrato di 9x9 cm in diverse condizioni di spruzzatura. N = 10.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.