Utilizzando adesivo Patterning per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D

L'obiettivo generale di questa tecnica è creare dispositivi microfluidici su carta tridimensionali planari e non planari, che possono essere dispiegati durante la costruzione e dopo l'uso attraverso la definizione di un adesivo aerosol. Questo metodo apre un nuovo spazio progettuale per la microfluidica su carta, eliminando i vincoli che in precedenza impedivano ai ricercatori di realizzare strutture diverse dalle semplici reti di canali. I principali vantaggi di questa tecnica sono la riduzione significativa della quantità di adesivo applicata durante la fabbricazione dei dispositivi microfluidici su carta e la possibilità di costruire circuiti microfluidici tridimensionali non planari.

Per prima cosa, stampare un'immagine di ciascun strato del dispositivo su carta da filtro utilizzando una stampante a inchiostro solido. Posizionare ogni foglio di carta da filtro su una piastra riscaldante a 170 gradi Celsius per due minuti, in modo da fondere l'inchiostro a base di cera e permettergli di penetrare completamente nella carta, formando barriere idrofobe. Una volta che la carta si è raffreddata, inserire un colore diverso di colorante in ciascun ramo dello strato tre utilizzando una micropipetta.

Aliquote di quattro microlitri di coloranti cinque millimolari saranno sufficienti. Ora, iniziare la costruzione. Per prima cosa, fissare lo strato più basso tra la maschera e un supporto rigido, come ad esempio un pezzo di vetro piano.

Assicurarsi che la mascherina sia ben aderente alla carta per ridurre al minimo le ombre del getto. Successivamente, impostare un metronomo a 180 battiti al minuto e nebulizzare l'adesivo da una distanza di circa 24 centimetri per quattro battiti. Muovere la bomboletta lungo la mascherina in quattro movimenti uniformi.

Se la bomboletta viene spostata troppo lentamente, l'adesivo si accumulerà sulla maschera stessa, causandone l'ostruzione. Se la bomboletta viene spostata troppo rapidamente, non verrà applicata una quantità sufficiente di adesivo. Successivamente, rimuovere la maschera e posizionare il successivo strato del dispositivo sopra lo strato appena spruzzato, allineandoli con attenzione lungo i bordi.

Premere con forza gli strati tra loro. Quindi, spruzzare nuovamente l'adesivo. Continuare questo processo finché tutti gli strati non sono saldamente aderenti.

Sulla pila a quattro strati, applicare una striscia di nastro adesivo lungo il bordo del livello inferiore per impedire che il liquido fuoriesca. Successivamente, i singoli dispositivi possono essere ritagliati dalla pila seguendo lo schema stampato. Come nella procedura precedente, stampare il dispositivo su carta da filtro utilizzando una stampante a inchiostro solido e sciogliere l'inchiostro su una piastra riscaldata a 170 gradi Celsius per due minuti.

Per questa procedura, stampare anche il modello delle pieghe nello stesso modo, ma su carta da stampante normale. Una volta che le stampe si sono raffreddate, allineare le linee del modello delle pieghe ai bordi dei modelli dei canali. Quindi, fissarli con del nastro adesivo.

Successivamente, tracciare il modello della piega con uno stilo smussato. Applicare una forza sufficiente per segnare il foglio del dispositivo, ma senza strappare la carta. Se si verifica uno strappo, ricominciare da capo.

Questa tecnica di pre-piegatura aumenta l'accuratezza e la precisione della piegatura. Ora, iniziare a piegare il dispositivo utilizzando pieghe a monte e a valle in base al modello di piegatura. La piegatura prima dell'applicazione dell'adesivo contribuisce ad accelerare il montaggio del dispositivo.

Dopo averlo piegato, aprirlo per esporre le parti che richiedono l'applicazione di adesivo. Successivamente, con una lama, ritagliare delle maschere per delimitare le aree in cui verrà applicato l'adesivo. A questo punto, fissare saldamente il dispositivo in posizione piatta tra la mascherina con la maschera e un supporto rigido.

Utilizzare un metronomo per misurare 1,3 secondi e applicare l'adesivo come in precedenza. Se l'umidità ambiente è bassa, applicare l'adesivo in un'area con umidità controllata in modo che non si asciughi troppo rapidamente. Successivamente, rimuovere la maschera sagomata e quella di protezione e capovolgere il foglio.

Quindi, spruzzare il lato posteriore della carta nello stesso modo. Rimuovere immediatamente il dispositivo dalla maschera e iniziare a piegare il dispositivo. Una volta che il dispositivo è completamente piegato, applicare una pressione costante sulla parte contenente l'adesivo fino a quando non è asciutto.

Per eseguire un test di capillarità su dispositivi a quattro strati, selezionare casualmente 20 dispositivi. Posizionare i dispositivi in un luogo riparato dalle correnti d'aria per ridurre al minimo l'evaporazione. Successivamente, depositare 40 microlitri di acqua all'ingresso di ciascun dispositivo.

Registrare il tempo necessario affinché ciascun dispositivo abbia tutte le sue uscite completamente riempite con il colorante. Per i dispositivi di origami, confrontare due pavoni di origami: uno realizzato come descritto in precedenza e l'altro realizzato senza utilizzare la maschera durante l'applicazione dell'adesivo. Successivamente, inserire un'estremità di un piccolo conduttore di carta nel corpo del pavone.

In condizioni di umidità relativa controllata, superiore al 90%, posizionare ogni zampa e il contatto cartaceo di ogni pavone in un contenitore riempito con un colorante a cinque millimolari. Sono stati confrontati i tempi medi di risalita capillare e le percentuali di successo per dispositivi a quattro strati costruiti con diverse quantità di adesivo applicato. Una copertura uniforme di adesivo ha determinato percentuali di successo relativamente elevate, che sono diminuite all'aumentare della quantità di adesivo.

I tassi di successo sono stati anche molto più elevati con tempi di risalita più rapidi quando l'adesivo stampato veniva applicato su entrambi i lati, piuttosto che su un solo lato. I fallimenti si sono verificati più frequentemente quando l'adesivo veniva applicato su un solo lato. Il fallimento tipico del dispositivo a strati era caratterizzato da uscite che non si riempivano completamente di colorante o che impiegavano più di cinque minuti per riempirsi.

Negli apparecchi piegati con tecnica origami, il malfunzionamento dell'apparecchio è stato caratterizzato da uscite che non si riempivano con alcuna quantità di colorante. Queste uscite erano localizzate esclusivamente lungo i due bordi dell'apparecchio che contenevano le pieghe. Raddoppiando la dimensione del bordo intorno ai canali, i tassi di successo sia per l'applicazione adesiva su singolo lato che su doppio lato sono aumentati.

Entrambi i metodi di applicazione dell'adesivo hanno prodotto dispositivi in grado di convogliare correttamente il liquido lungo l'intera lunghezza dei canali senza mescolamenti. Tuttavia, il dispositivo con adesivo applicato in modo uniforme è risultato visibilmente più lento. Durante l'esecuzione di questa procedura, è fondamentale garantire un'applicazione dell'adesivo uniforme e costante.

Si noti che l'adesivo in aerosol deve essere applicato esclusivamente in aree ben ventilate. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come applicare e utilizzare adesivi con motivi per costruire dispositivi microfluidici su carta tridimensionali piani e non piani. Questa tecnica permetterà ai ricercatori di esplorare l'uso di strutture non piane per ottenere funzionalità precedentemente non presenti nei dispositivi piani, come attuazione e rilevamento integrate.