3Dペーパーマイクロ流体デバイスを構築するために接着剤パターニングを使用して、

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。

Abstract

私たちは、平面および非平面の3D紙マイクロ流体デバイスを構築するためのパターン化されたエアロゾル接着剤の使用を実演します。エアゾール接着剤を金属ステンシルに吹き付けることで、紙製マイクロ流体デバイスの組み立てに使用される接着剤の総量を大幅に削減することができます。単純な4層平面紙マイクロ流体デバイスで、最適な接着剤塗布技術とデバイス構築スタイルが望ましい性能特性に大きく依存することを示しています。デバイス全体の面積を適度に増やすことで、ウィッキング時間を劇的に短縮し、デバイスの成功率を高めると同時に、デバイスを一緒に保持するために必要な接着剤の量を減らすことができます。また、このような接着剤の塗布により、接着剤は紙の層間に永久的な結合ではなく、半永久的な結合を形成するため、使用後に使い捨てのデバイスを非破壊で分解することができます。非平面の3D折り紙デバイスは、折り畳み時の半永久的な結合の恩恵を受けることもできます。これにより、無関係な面が誤ってくっつく可能性が低くなります。平面デバイスと同様に、非平面構造では、パターン化された接着剤の塗布と均一に塗布された接着剤の塗布により、吸湿発散時間が短縮されます。

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。

Protocol

1.平面4層デバイス（積層）建設

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 、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。
6. 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。
7. 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

1. 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。
2. 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）。
3. 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。
4. 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。
5. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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

1. 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

1. 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。
2. 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）。
3. 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。

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...

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...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
カメラ	ニコン	D5100
ソリッドインクプリンター	ゼロックス	ColorQube 8880
ホットプレート	トーリーパインズ	HS60
湿度チャンバー	エレクトロテックシステム	ズ 5503-E
スプレー接着剤	3M	62497749309	スーパー 77 (16.75 オンス缶)
濾紙	Whatman	グレード 4
穴あき鋼板	金属デポ	PS16116
タルトラジン	シグマ - アルドリッチ	T0388
アルーラ レッド	シグマ - アルドリッチ	458848
エリオグラウシン二ナトリウム塩	シグマ - アルドリッチ	861146