Utilizzando adesivo Patterning per costruire dispositivi microfluidici di carta 3D

L'obiettivo generale di questa tecnica è quello di creare dispositivi microfluidici di carta tridimensionali planari e non planari che possano essere dispiegati durante la costruzione e dopo l'uso attraverso la modellazione di adesivo aerosol. Questo metodo apre un nuovo spazio di progettazione per la microfluidica cartacea, rimuovendo i vincoli che in precedenza impedivano ai ricercatori di fabbricare da semplici reti di canali. I principali vantaggi di questa tecnica sono che riduce significativamente la quantità di adesivo applicata durante la fabbricazione di dispositivi microfluidici in carta e che consente la costruzione di circuiti microfluidici in carta tridimensionali non planari.

Innanzitutto, stampa una serie di ogni strato per il dispositivo su carta da filtro utilizzando una stampante a inchiostro solido. Posizionare ogni carta da filtro su una piastra calda a 170 gradi Celsius per due minuti, per sciogliere l'inchiostro a base di cera e lasciarlo penetrare completamente nella carta, formando barriere idrofobiche. Una volta che la carta si è raffreddata, metti un colore di tintura diverso in ciascuno dei rami dello strato tre usando una micropipetta.

Quattro aliquote da microlitro di coloranti da cinque millimolari saranno sufficienti. Ora, inizia la costruzione. Per prima cosa, blocca lo strato più in basso tra lo stencil e un supporto rigido, come un pezzo di vetro.

Assicurati che lo stencil sia piatto contro la carta per ridurre al minimo le ombre spray. Quindi, imposta un metronomo a 180 battiti al minuto e spruzza l'adesivo a circa 24 centimetri di distanza per quattro battiti. Sposta la lattina sullo stencil con quattro movimenti uniformi.

Se la lattina viene spostata troppo lentamente, l'adesivo si accumulerà sullo stencil stesso, ostruendo lo stencil. Se la lattina viene spostata troppo rapidamente, non verrà applicato abbastanza adesivo. Quindi, rimuovi lo stencil e posiziona lo strato successivo del dispositivo sopra lo strato appena spruzzato, allineandoli accuratamente ai bordi.

Premere con decisione gli strati insieme. Quindi, spruzzare nuovamente l'adesivo. Continua questo processo fino a quando tutti gli strati non sono ben aderenti.

Sulla pila a quattro strati, incollare una striscia di nastro adesivo da imballaggio sullo strato inferiore per evitare che il fluido fuoriesca. Quindi, i singoli dispositivi possono essere tagliati dalla pila seguendo il modello stampato. Come per la procedura precedente, stampare il dispositivo su carta da filtro utilizzando una stampante a inchiostro solido e fondere l'inchiostro su una piastra calda a 170 gradi Celsius per due minuti.

Per questa procedura, stampare anche il motivo della piega nello stesso modo, ma su carta normale per stampante. Una volta che le stampe si sono raffreddate, allinea le linee del motivo di piega ai bordi dei modelli di canali. Quindi, fissali con del nastro adesivo.

Quindi, traccia il motivo della piega con uno stilo smussato. Applicare una forza sufficiente per contrassegnare il foglio del dispositivo, ma non strappare la carta. Se si verifica uno strappo, ricomincia da capo.

Questa tecnica di pre-cordonatura aumenta l'accuratezza e la precisione della piegatura. Ora, inizia a piegare il dispositivo utilizzando le pieghe a montagna e a valle secondo il modello di piega. La piegatura prima dell'applicazione dell'adesivo aiuta a velocizzare l'assemblaggio del dispositivo.

Una volta piegato, aprirlo per esporre le parti che richiedono adesivo. Quindi, con una lama, ritaglia le maschere per limitare il punto in cui verrà applicato l'adesivo. Ora, fissa il dispositivo in modo piatto tra lo stencil con la maschera e un supporto rigido.

Usa un metronomo per il timeout di 1,3 secondi e applica l'adesivo come prima. Se l'umidità ambientale è bassa, applicare l'adesivo in un'area a umidità controllata in modo che l'adesivo non si asciughi troppo rapidamente. Quindi, rimuovi lo stencil e la maschera e capovolgi il foglio.

Quindi, spruzzare il lato posteriore della carta allo stesso modo. Rimuovere immediatamente il dispositivo dallo stencil e iniziare a piegare il dispositivo. Una volta che il dispositivo è completamente piegato, applicare una pressione continua sulla parte contenente l'adesivo fino a quando non si asciuga.

Per eseguire un test di traspirazione sui dispositivi a quattro strati, selezionare casualmente 20 dispositivi. Posizionare i dispositivi in un punto in cui sono schermati dalle correnti d'aria per ridurre al minimo l'evaporazione. Quindi, depositare 40 microlitri di acqua all'ingresso di ciascun dispositivo.

Registra il tempo necessario a ciascun dispositivo per riempire completamente tutte le sue prese di colorante. Per i dispositivi origami, confronta due pavoni origami, uno realizzato come descritto in precedenza e l'altro realizzato senza utilizzare lo stencil durante l'applicazione dell'adesivo. Quindi, inserisci un'estremità di una piccola mina di carta nel corpo del pavone.

In condizioni di umidità relativa controllata, superiore al 90%posizionare ogni zampa e la mina di carta di ogni pavone in un contenitore riempito con colorante da cinque millimolari. Sono stati confrontati i tempi medi di assorbimento e le percentuali di successo per i dispositivi a quattro strati costruiti con diverse quantità di adesivo applicato. La copertura uniforme dell'adesivo ha portato a tassi di successo relativamente elevati che diminuiscono con l'aumentare delle quantità di adesivo.

Le percentuali di successo erano anche molto più elevate, con tempi di traspirazione più rapidi quando l'adesivo modellato veniva applicato su entrambi i lati, rispetto a un solo lato. I guasti si verificavano più frequentemente quando l'adesivo veniva applicato solo su un lato. Il tipico guasto del dispositivo impilato era caratterizzato da uscite che non si riempivano completamente di colorante o impiegavano più di cinque minuti per riempirsi.

Nei dispositivi piegati origami, il guasto del dispositivo era caratterizzato da prese che non riuscivano a riempirsi con alcuna quantità di colorante. Queste prese erano situate esclusivamente lungo i due bordi del dispositivo che conteneva le pieghe. Raddoppiando le dimensioni del bordo attorno ai canali, sono aumentate le percentuali di successo sia per le applicazioni adesive su un lato che per quelle su entrambi i lati.

Entrambi i metodi di applicazione dell'adesivo hanno portato a dispositivi che hanno instradato con successo il liquido per tutta la lunghezza dei loro canali e senza mescolare. Tuttavia, il dispositivo con adesivo applicato in modo uniforme era notevolmente più lento. Durante il tentativo di questa procedura, è importante garantire un'applicazione uniforme e coerente dell'adesivo.

Si noti che l'adesivo aerosol deve essere applicato solo in aree ben ventilate. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come applicare e utilizzare adesivi modellati per costruire dispositivi microfluidici in carta 3D planari e non planari. Questa tecnica consentirà ai ricercatori di esplorare l'uso di strutture non planari per ottenere funzionalità precedentemente non presenti nei dispositivi planari, come l'attuazione e il rilevamento integrati.