Summary
我々は、3D紙マイクロ流体デバイスを構築するためにパターン化エアゾール接着剤の使用を実証します。接着剤塗布フォーム非破壊的に使用後に分解すると折り複雑な非平面構造を容易にするために、単回使用デバイスを有効にする層の間の半永久的結合のこの方法。
Introduction
近年では、紙のマイクロフルイディクスは、ケアの低コストのポイント（POC）診断装置を提供する可能性についてかなりの人気を集めている。1-3 POCデバイスは結果があることを可能にする形式のラボに基づく試験と同様の機能を提供します比較的迅速に得られます。紙から作られたPOCデバイスは、リソースが制限された設定での使用に最適です、低コスト、軽量、かつ高価なマイクロ流体チップや小型化の研究室に簡単に使用できる代替物です。最も一般的な紙のマイクロ流体デバイスは、1次元のラテラルフロー装置であるが、マイクロ流体デバイスは、保持平面3次元（3D）紙は、2D装置5によって必要とされるよりもはるかに小さいフットプリントを取る多重診断装置4を提供することを約束し、相応に小さい試料体積を使用しています。
最初に、平面3D紙マイクロ流体デバイスは、個々に組み立てられた層ごとのWiレーザーカット両面テープと交互番目のパターン化された紙層。テープ層に切断注意深く整列孔が層間流体輸送を確保するために、セルロース粉末を充填した。別の方法の4数はその後開発された、6-9各デバイスの異なる側面を改善します。具体的には、接着剤をeschewingことで、デバイスは外部クランプによって一緒に保持された層で折り紙の技術を介して折り畳むことができた。8これは、診断テストの任意の潜在的な接着剤の干渉を排除し、デバイスが展開された後に使用することを可能にする、潜在的にさらに小さなサンプルを可能にします内部的に結果を表示してボリューム。代替的に、それぞれの紙層との間に印加されるエアロゾルの接着剤を用いて、装置のシートは、テープの時間のかかるパターニングと整列せず、同時に組み立てることができる。9
しかし、ステンシルを通してエアゾール接着剤を塗布することにより、利益を得ることが可能ですこれらの技術の両方。ステンシルを介して接着剤を噴霧することにより、接着剤の一部のみが、層間流体移送と潜在的な干渉を最小限に抑え、デバイスに適用されます。さらに、注意深いステンシル選択で、接着剤のパターンは、依然として、流体が層の間に芯することを可能にするのに十分な層間接続を提供しながら、半永久的接着の結果は、デバイスが使用後に展開されることを可能にすることを適用することができます。
最後に、ステンシルを介してエアゾール接着剤を適用することは頻繁に折り畳みを必要とし、建設中に展開することができる隣接する面に塗布された接着剤の量を最小限にすることによって、非平面の3D紙のマイクロ流体デバイスの構築を容易にします。10さらに、パターン化された接着剤の使用があると、デバイスを可能にしますより多くの収納に便利な使用後に繰り広げられます。非平面3D紙マイクロ流体デバイスは、そうでなければ、平面、3D devicに不可能であろうタスクに使用されることが期待されていますE。 図1は、平面および非平面3次元デバイスの両方を構成するために使用される一般的なプロセスフローを示しています。
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Protocol
1.平面4層デバイス（積層）建設
- 固体インクプリンタを用いて濾紙の各部分上にデバイス9の各層のプリントアレイ。11,12プレイス2分間170℃でホットプレート上の各濾紙。これは、ワックス系インクを溶融し、それが完全に疎水性の障壁を形成し、紙の厚さに浸透することができます。
注：使用される正確なデザインは補足ファイルとしてご利用いただけます。 - ホットプレートからろ紙を取り外し、それを室温まで冷却します。
- デポジット4μlの5 mMの染料の（赤：アルラレッド;黄色：タートラジン;青：エリオグラウシンナトリウム塩;緑：10：タートラジンの1ミックス：エリオグラウシンナトリウム塩）層3の各ブランチで（ブランチごとに1色）（第三完成した装置の上部から層）マイクロピペットを用いて。
- 最下層で始まります。バインダークリップを使用して、ステンシルなどの板ガラス片のような硬いバッキング、間ろ紙をクランプS、または他の同様の一時的な方法。ステンシル紙に対して平らであることを確認してください。これは、紙の上にステンシルによって鋳造任意のスプレー影を最小限に抑えることができます。
- 、この間9,10。約24 CMからスプレーし、約1.33秒（180 BPMで4カウント）と（資機材のリストを参照）接着剤を適用するメディアのペースでステンシルを横切って接着剤の缶を移動します。ステンシルを横切って移動の遅すぎる、それを目詰まり、ステンシル自体に蓄積した接着剤が発生します。旅のあまりに急速な紙の上に十分な接着剤を堆積させるために失敗します。この時間の間に4回のパスは（アップダウンアップダウン）スプレー影を防止するのに十分です。
- 用紙の端を揃える、新鮮に溶射層の上に（番号の層が補足ファイルとして利用可能です）ステンシルを外し、装置の次の層を配置します。しっかりと2つの層を一緒に押します。
- ステンシルを交換し、デバイスの各層の噴霧プロセスを繰り返します。駅を削除底層を横切ってテープを梱包デバイスや場所のCK。これは、デバイスからの液漏れを防ぐことができます。印刷された領域の端以下、はさみを使用して、シートから個々のデバイスをカットします。
2.平面4層デバイス（折り紙つ折りレイヤー）建設
- 固体インクプリンタを用いて濾紙上にデバイスのすべての層を含む印刷シート。 2分間170℃でホットプレート上にろ紙を置きます。ホットプレートからろ紙を取り外し、それを室温まで冷却します。
注：使用される正確なデザインは補足ファイルとしてご利用いただけます。 - デポジット4μlの5 mMの染料の（赤：アルラレッド;黄色：タートラジン;青：エリオグラウシンナトリウム塩;緑：10：タートラジンの1ミックス：エリオグラウシンナトリウム塩）層3の各ブランチで（ブランチごとに1色）（第三マイクロピペットを介して、完成した装置の上部から層）。
- このような板状ガラス片として、ステンシルと硬いバッキングの間にデバイスのシートをクランプ、binderclips、または他の同様の一時的な方法を用いて。ステンシル紙に対して平らであることを確認してください。
- 約24 CMからスプレーし、約1.33秒（180 BPMで4カウント）と（資機材のリストを参照）接着剤を適用します。この時間の間に4回のパスは（アップダウンアップダウン）スプレー影を防止するのに十分です。
- ステンシルを外し、シートを裏返します。ステンシルを交換して、紙の側をバックスプレー。 図1に示すように、デバイスのシートを取り外して、アコーディオンプリーツに折り始める。印刷された領域のエッジ以下、はさみを使用して、シートから各デバイスを切り取り。底層を横切ってテープを梱包置きます。
3.非平面（折り紙）装置構成
- 印刷装置（ 図2A）濾紙上に固体インクプリンタを用いて、2分間170℃のホットプレート上にろ紙を置き。ホットプレートからデバイスを取り外し、それを室温まで冷却します。
注意：使用される正確なデザインは補足ファイルとしてご利用いただけます。 - 印刷折り目固体インクプリンタを用いて印刷用紙上にパターン（ 図2C）と濾紙の大きさに切断。パターンは、紙の両面から見えるように引き起こして、ワックスを溶融し、2分間、170℃のホットプレート上で折り目パターンを配置します。ホットプレートから折り目パターンを削除し、それが室温まで冷却します。
- チャネルパターンを含む用紙の端に折り目パターンのエッジの位置を合わせ、バインダークリップ、または他の同様の一時的な方法を用いて、紙の2枚を添付してください。
- マークは、デバイスシートに表示されるに十分な力を加え、鈍いスタイラスで折り目パターンをトレースではなく、一生懸命折り目パターン紙リッピングいます。それが発生した場合、デバイスは損傷を受ける危険があります。 Precreasingは紙がはるかに簡単に折り畳むことが発生し、フォールディングにおけるより高い精度と精度を可能にします。
- 山と谷でデバイスを折り始めます折り目パターンに従って折ります。接着剤が塗布された後、デバイス全体が接着剤塗布が非常に有用である前に、そのようにできる限りのデバイスを折り畳み、非常に迅速に組み立てる必要があります。
- デバイスが折り畳まれた後、接着剤を必要とするデバイスの部分を露出するようにデバイスを展開。マスク（ 図2D）デバイスの接着剤にカミソリの刃を使用して、適用することができることの限界をカット。
- ステンシルマスクと、このようなプレートのガラス片のような硬いバッキング、間のデバイスを固定します。ステンシルは、デバイスに対して平らであることを確認してください。約1.33秒（180 BPMで4カウント）約24 CMからスプレーで接着剤を（リスト資機材を参照）を適用します。この時間の間に4回のパスは（アップダウンアップダウン）スプレー影を防止するのに十分です。ステンシルを外し、シートを裏返します。ステンシルマスクを交換し、紙の側をバックスプレー。
- すぐにステンシルからデバイスを削除し、折り始めますデバイス。デバイスが完全に折り畳まれると、接着剤が乾燥するまでの部分を含有する接着剤に圧力を加えます。
注：接着剤の乾燥時間は周囲の湿度に非常に敏感であるので、湿度制御室に折りたたみ式の湿度の低い場所でデバイスを折るために多くの時間を可能にします。
4. 4層デバイスのテストを吸い上げ
- ランダム以前に上記のプロトコルに従って組み立てられた20のデバイスを選択します。蒸発を最小限にするために、任意の風や微風からシールド場所にデバイスを配置します。各デバイスの入口でのデポジット40μlの水。各デバイスは完全に染料で満たされ、そのアウトレットのすべてを持っているのにかかる時間を記録。
5.折り紙ウィッキングの比較
- 接着剤塗布時のステンシルを使用することなく、上記のプロトコル（第3節）によると1、およびその他 - 2折り紙のクジャクを構築します。
- 小Pの一端を挿入します各孔雀の体内へのAPERリード（長さ5cm、幅約5mm）。
- チャンバ内の両方のクジャクを置き、蒸発を最小限に抑えるために、高い相対湿度（> 90％）で維持しました。 5 mMの色素（：アルラレッド、黄色：タートラジン、青：エリオグラウシンナトリウム塩、赤）を充填した容器に各孔雀の各脚とリードを配置します。デジタルカメラを使用してプロセスを吸上録音。
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Representative Results
4層デバイスのテストは限ら堆積流体体積の過度の蒸発を引き起こす可能性のある風や微風からそれらを遮蔽する、密閉された室内で行いました。蒸発による吸上げ速度の差は最小限であると予想されたので、4層装置におけるウィッキングの大部分は、デバイスの中層です。さらに、最小限の横方向吸上は吸上げ時間のばらつきが原因で、垂直、層間流体移送に可能性があることを示唆し、入口および任意の個々の出口との間の唯一の13ミリメートルで、そこにあります。適用された接着剤の異なる量で構成4層デバイスのウィッキング時間と成功率平均値を表1に示します。
積み重ねられたデバイスでは、均一な接着剤の適用範囲は、我々は、接着剤の量を増加するにつれて減少し、比較的高い成功率が得られました。パターン化された接着剤covera接着剤は、片側のみに適用されるが、非常に高い成功率を有し、高速パターン化接着剤を両面に塗布したときの時間をウィッキングされたときにGEは、非常に低い成功率をもたらしました。典型的な成功は 、 図3Aに示されています。この観察された行動のためのいくつかの潜在的な説明があり、任意の組み合わせで適用することができます。塗布された接着剤は、物理的に紙層の間により小さい有効接触面積が得られ、部分的または完全に、紙の表面の孔を塞ぐことができます。また、接着剤自体は、流体が、より長い時間をウィッキングをもたらすを通じて吸い上げなければならないことを、より厚い粘着剤層中に、別の多孔質基材として接着剤の結果のように重いコーティングを作用することができます。接着剤をパターニングし、一方で、部分的にしかより多くの流体がウィッキング時間を減少させ、直接紙層に紙層から吸い上げすることができ、接触面積を閉塞接着剤「ドット」を作成します。しかし、これは非常にreduc接着剤被覆率化も、その結果、紙の層の間の接着結合の強度を低下させる繊維を膨潤し、折り目を展開は、層は、彼らが接触しなくなったことを十分に分離させたときの成功率を減少させました。 （〜30％、全体的なデバイスの面積を増加させる）チャネルの周囲に境界線のサイズを倍にすることによって、シングルおよびデュアルサイドの両方の接着剤用途のための成功率が増加しました。 2つのサイズの間の比較は、図4に示されている。典型的な積層型デバイスの故障が完全に色素で埋めることができなかった、または埋めるためより長い5分を要したコンセントを特徴としていました。これは、 図3Bに示されています。
折り紙折り畳まれたデバイスでは、均一な接着剤の適用範囲は、積層され、均一な、片面接着デバイスに存在する接着剤の当量を適用する場合、得られた完全な失敗と低い成功率が得られました。パターン化された接着剤カバー年齢がはるかに低い成功率が得られました。しかし、この減少は3ミリメートルの境界線を持っていた少し大きめのデバイスを使用することにより相殺されました。典型的な折り紙のデバイスの故障は、染料の任意の量でいっぱいに失敗したコンセントを特徴としていました。これらの出口は、排他的に折り目を含有デバイスの両側に沿って配置しました。これは、 図3Cに示されています。
接着剤の塊は、異なる噴霧方法は、表2に示す。1.33秒（180 BPMで4カウント）堆積接着剤の0.26ミリグラム/ cm 2の（乾燥質量）の上記の噴霧時間をシートにわたって均一にスプレーしたときの下で適用しますデバイスの、23％開いていたステンシルから噴霧するときだけは0.02mg / cm 2の（乾燥質量）を堆積させながら。
非平面の3D構造では、均一な接着剤被覆は、隣接する面として、より困難な折り畳みを生じ途中で一緒に立ち往生。構造内部の層は、接着剤が乾燥したら、展開、および細断紙にそうなったんしようとすることができませんでした。パターニングされた接着剤被覆率は、偶発的な接着が簡単に元に戻されたように、はるかに容易に折りました。接着剤が乾燥した後、層は紙の任意のリッピングや裂けずに引き離すことができました。接着剤塗布の両方の方法は成功し、そのチャンネルの混合せずに長さの液体ルーティングデバイスをもたらしました。しかし、均一に接着剤を塗布したデバイスが著しく遅かったです。このウィッキングの時間経過を図5に示されている。ウィッは湿度制御チャンバ内で実行された相対湿度を低下させるとともに、蒸発が増加すると、蒸発を最小限にするために、> 90％の相対湿度で維持しました。これによって設計に存在する長いチャンネルに、長い165ミリメートルまで、蒸発が大きくても無限流体リザーバと、ウィッキング時間を増やすことができます。
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図1.デバイスの製造プロセスフロー。（A） は、デバイス製造を積み上げ。 （B）折り紙デバイス製造。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2.ピーコックパターン。黒は、疎水性領域を示している（A）チャンネルパターン、。 （B）の矢印は各染料で撮影されたパスを示しています。円は、層と点線との間の接触点は、垂直吸上経路を示し示します。そのそれぞれの入口から尾の端に、各チャネルの長さの単位はmmで示されています。チャネル幅は2〜平均しましたテール領域における3ミリメートル。 （C）折り目パターン（13から変更）。レッドラインは、最終的な構造で山ヒダに対応します。黒い線は、谷の折り目に相当します。青い線は、最終的な構造に折り畳まれていない折り目に対応するが、予備折り工程に役立ちます。 （D）白い部分が除去された接着剤塗布、中に折り紙のデバイスと金属ステンシルとの間に配置されたマスクを。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3. 一般的な成功と失敗 （A）典型的な成功- 。完全に色素が充填されたすべてのアウトレット。 （B）の典型的な積み重ね失敗-アウトレット失敗した明白なPATTがありませんでしたそれらの分布でERN。 （C）典型的な折り紙の失敗- 、一番左のか、一番右の列に沿って折り目の最も近くに位置していた埋めるために失敗したすべてのアウトレット。すべてのスケールバーは5ミリメートルである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4.デバイス サイズの比較。（A）より小さなデバイス（1.6ミリメートルの境界線）。 （B）より大きなデバイス（3ミリメートルボーダー）。すべてのスケールバーは5ミリメートルである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5。 。折り紙ピーコック左の時間の経過：均一な接着剤の適用範囲。右：パターン化された接着剤報道。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
| デバイススタイル | 接着剤の種類（期間/ボーダー/サイド） | 平均±SD（秒） | 成功率 |
| 折り紙 | 制服（1.33秒/ 1.6ミリメートル/ダブル） | 44±14 | 45％ |
| 制服（0.67秒/ 1.6ミリメートル/ダブル） | 0±0 | 0％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 1.6ミリメートル/ダブル） | 41±13 | 15％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 3ミリメートル/ダブル） | 64±50 | 40％ | |
| 積み重ねられました | 制服（1.33秒/ 1.6ミリメートル/シングル） | 152±66 | 80％ |
| 制服（1.33秒/ 1.6ミリメートル/ダブル） | 119±68 | 60％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 1.6ミリメートル/シングル） | 164±75 | 25％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 1.6ミリメートル/ダブル） | 81±25 | 80％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 3ミリメートル/シングル） | 116±63 | 85％ | |
| パターン化された（1.33秒/ 3ミリメートル/ダブル） | 80±55 | 100％ |
別の接着剤塗布条件のための時間と成功率を吸上げ、表1 の4層デバイスのパフォーマンス。平均。 Nは= 20。
| 接着剤カバレッジ | スプレー時間（秒） | SD±平均質量（mgを/ cm 2で） |
| ユニフォーム | 1.33 | 0.26±0.05 |
| ユニフォーム | 0.67 | 0.14±0.03 |
| パターン化されました | 1.33 | 0.02±0.01 |
| なし | 0 | -0.01±0 |
表2塗布した接着剤は、金額。平均接着剤の厚さ（乾燥質量）が異なるスプレー条件で9×9センチの正方形の上に適用されます。 N = 10。
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Discussion
上記のプロトコルは、平面および非平面の3D紙のマイクロ流体デバイスを構築するためにエアゾール接着剤を塗布するためのステンシルとしてパンチングメタルシートを使用します。プレーナデバイスでは、これは、接着剤は、デバイスを破壊することなく乾燥した後、デバイスが完全に展開されることを可能にするという利点を有します。 、いくつかのデザインは取り外し可能な接着剤で一緒に保持された二つの部分をunpeelingて部分破壊的な分解を可能にするが、他の接着剤ベースの構築技術では、これは、ほとんど不可能です。14無接着剤の建設は、デバイスが使用後に展開することができますが、カスタムのクランプまたはハウジングを必要としません各デバイスの。8
主に横方向吸上を持つデバイスでは、接着剤は大幅にウィッキングを遅らせることができます。接着剤をパターニングすることにより、ウィッキング領域に塗布される接着剤の量を大幅に任意の潜在的なウィッキング干渉を制限し、減少させることができます。主に垂直ウィッキングを持つデバイスまたものの非常に少ない程度に、接着剤に起因する同様遅いウィッキングを示します。その唯一の疎水性領域に接着剤適用を制限完全にブロックアウトすべてのウィッキング領域を、ステンシルの設計は、任意の潜在的なウィッキング干渉を排除することができるだけでなく、建設プロセスにかなりのアライメント時間を追加することができます。
非平面デバイスでは、パターン化された接着剤が劇的に均一に塗布された接着剤層に比べて非常に簡単折りたたみ作り、減少した紙に塗布された接着剤の量として、折りたたみが容易になります。完全に接着剤で覆われた紙は、紙の異なる領域間の任意の偶発的接触が継続する前に取り消す必要があり接着性を引き起こしたときにフォールドするはるかに困難です。
疎水性領域に大きな吸上面積性を有する平面状の3次元積層デバイスの場合、エアゾール接着剤と対に折り紙の折りには、最適な建設技術そうではありません原因展開するしわの傾向を克服しながら一緒に濡れた紙層を保持するために接着できないことにnique。十分な疎水性の境界を含むデザインを持つデバイスは折り紙折り装置の成功率が増加します。強い結合強度接着剤を使用することも、この問題を解決する紙接着剤結合を弱めるから水を防止するのを助けることができます。
彼らは、デバイスを展開する傾向にあるしわを欠いているとして、積層デバイスは、全体的に、優れた性能を発揮します。さらに、接着剤塗布時のステンシルの使用が劇的に層間に吸い上げ流体に必要な時間を減少させる、塗布される接着剤の総量を減少させます。
非平面の3D紙のマイクロ流体デバイスを設計する際に、考慮すべき問題がいくつかあります。水imbibi時に開いて折り目を強制的に折り目に沿ってチャネルを配置するように、チャンネルのレイアウトに折り畳まれたデバイスの折り目パターンを比較することが重要ですセルロース繊維を膨潤さに起因化、。特定のデバイスの設計に応じて、しかし、これは、または動作を所望してもしなくてもよいです。周囲条件でデバイスのストレージが弱体化からの層の間の接着結合を防止することが推奨され、従って、デバイスの生存率、10乾燥空気下での長期貯蔵に有利で はありません。
以前Lewis らにより述べたように、エアゾール接着剤9使用が急速に3D紙マイクロ流体デバイスを大量に生産する効率的な手段を提供します。このような接着剤をパターニングすることにより、新たなデバイスは、より急速に発展し、使用後に展開することができるという利点を取ることであることができます。
また、パターニングは、非平面の3D紙のマイクロ流体デバイスの建設と発展を可能にします。このような装置は、予め、集積作動及び感知のような平坦な紙マイクロ流体中に見出されない機能を提供することができると期待されます。例えば、作動とすることができます水反応性ポリマーフィルム15とパターン化された紙基材から二重層を作成することによって達成しました。水は、デバイスのチャネルに沿って発散し、フィルムを操作したときに、このような二層から構成された装置では、作動が生成されます。フィルムが乾燥すると、デバイスは再び使用する準備ができて、それを残して、その初期設定に戻すことになります。
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Disclosures
著者らは、開示することは何もありません。
Acknowledgments
この作品は、カリフォルニア大学リバーサイド校のエンジニアリングのボーンズ大学からの資金によってサポートされています。 BKは、機械設計における肺ウェンツァイ記念賞から奨学金を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera | Nikon | D5100 | |
| Solid-ink printer | Xerox | ColorQube 8880 | |
| Hotplate | Torrey Pines | HS60 | |
| Humidity chamber | Electro-Tech Systems | 5503-E | |
| Spray adhesive | 3M | 62497749309 | Super 77 (16.75 oz can) |
| Filter paper | Whatman | Grade 4 | |
| Perforated steel sheet | MetalsDepot | PS16116 | |
| Tartrazine | Sigma-Aldritch | T0388 | |
| Allura Red | Sigma-Aldritch | 458848 | |
| Erioglaucine disodium salt | Sigma-Aldritch | 861146 |
References
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