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、

この手法の全体的な目的は、エアロゾル接着剤のパターニングを通じて、構築中および使用後に展開可能な平面および非平面の三次元ペーパーマイクロ流体デバイスを作製することです。この手法は、これまで研究者が単純なチャンネルネットワークからの作製を妨げていた制約を取り除くことで、ペーパーマイクロ流体力学における全く新しい設計空間を切り開きます。この手法の主な利点は、ペーパーマイクロ流体デバイスの作製時に塗布される接着剤の量を大幅に削減できること、および非平面の三次元ペーパーマイクロ流体回路の構築が可能になることです。

まず、固形インクプリンターを使用して、デバイスの各層の配列をフィルターペーパーに印刷します。各フィルターペーパーを170 °Cのホットプレートに2分間置き、ワックスベースのインクを溶かしてペーパーに完全に浸透させ、疎水性バリアを形成させます。ペーパーが冷却した後、マイクロピペットを用いて、第3層の各ブランチに異なる色の染料を注入します。

5 mMの染料を4 µLずつ分注して用意します。それでは、作製を開始します。まず、ステンシルとプレートガラスなどの硬い裏打ち材で最下層を固定します。

スプレーの影を最小限に抑えるため、ステンシルが紙にぴったりと密着していることを確認します。次に、メトロノームを180 bpmに設定し、約24 cm離れた位置から4拍の間、接着剤をスプレーします。缶をステンシル上で4回均等に動かしてスプレーしてください。

缶をゆっくりと動かしすぎると、接着剤がステンシル自体に蓄積し、ステンシルが詰まってしまいます。逆に、缶を速く動かしすぎると、十分な量の接着剤が塗布されません。次に、ステンシルを取り外し、デバイスの次の層を、噴霧したばかりの層の上に配置し、端を慎重に合わせて調整します。

各層をしっかりと押し付けます。その後、再度接着剤をスプレーします。すべての層が強固に接着されるまで、この工程を繰り返します。

4層の積層体に対し、下層から液が漏れ出すのを防ぐため、底部に梱包用テープを貼り付けます。その後、印刷されたパターンに従って、積層体から個々のデバイスを切り出します。前述の手順と同様に、固形インクプリンターを用いてフィルターペーパーにデバイスを印刷し、ホットプレートを用いて170 °Cで2分間インクを融解させます。

この手順では、折り目パターンも同様の方法で、ただし通常のプリンター用紙に印刷してください。印刷物が冷めたら、折り目パターンの線をチャネルパターンの端に合わせて配置します。その後、テープで固定してください。

次に、鈍いスタイラスで折り線パターンをなぞります。デバイスシートに印が付く程度の十分な力を加えてください。ただし、紙を破らないように注意してください。もし破れた場合は、最初からやり直してください。

この事前折り目付けの手法により、折り曲げの正確さと精度が高まります。それでは、折り図に従って山折りと谷折りを用いてデバイスの折り畳めを開始してください。接着剤を塗布する前に折り畳んでおくことで、デバイスの組み立て時間を短縮できます。

折り畳んだ後、接着剤が必要な部分を露出させるために広げます。次に、ブレードを用いて、接着剤の塗布範囲を限定するためのマスクを切り出します。その後、マスクを付けたステンシルと硬いバックボードの間で、デバイスを平らにクランプします。

メトロノームを使用して1.3秒を計り、前述と同様に接着剤を塗布します。周囲の湿度が低い場合は、接着剤が速く乾きすぎないよう、湿度管理されたエリアで塗布してください。次に、ステンシルとマスクを取り除き、シートを裏返します。

次に、同様の手順でペーパーの裏面にスプレーします。直ちにステンシルからデバイスを取り出し、折り畳みを開始します。デバイスを完全に折り畳んだ後、接着剤を含む部分が乾燥するまで持続的に圧力を加えます。

4層デバイスのウィッキングテストを行うため、ランダムに20個のデバイスを選択します。蒸発を最小限に抑えるため、気流の影響を受けない場所にデバイスを配置します。次に、各デバイスの入口に40 µLの水を滴下します。

各デバイスのすべての流路が染料で完全に満たされるまでにかかる時間を記録します。折り紙デバイスについては、前述の方法で作製した折り紙のクジャクと、接着剤の塗布時にステンシルを使用せずに作製した折り紙のクジャクの2種類を比較します。次に、小さな紙製のリードの一端をクジャクの本体に挿入します。

相対湿度90%以上の制御条件下で、各レッグと各ピーコックのペーパーリードを5mMの染料で満たした容器に入れる。塗布した接着剤の量を変化させて作製した4層デバイスの平均的な吸い上げ時間および成功率を比較した。接着剤を均一に塗布した場合は比較的高い成功率が得られたが、接着剤の量が増えるにつれて成功率は低下した。

パターン化された接着剤を片面のみに適用した場合よりも、両面に適用した場合の方が、芯吸い時間が短縮され、成功率も大幅に向上しました。接着剤を片面のみに適用した場合には、より頻繁に失敗が発生しました。代表的な積層デバイスの失敗例としては、染料が完全に充填されなかった、あるいは充填に5分以上かかった出口が見られました。

折り紙形式の折り畳みデバイスにおいて、デバイスの故障は、染料が全く充填されなかったアウトレットによって特徴づけられました。これらのアウトレットは、折り目を含むデバイスの2つの端にのみ位置していました。チャネル周囲の境界サイズを2倍にしたことで、片面および両面接着剤塗布の両方において成功率が向上しました。

どちらの接着剤塗布方法においても、液体をチャネルの長さに沿って混合させることなく正常に流すことができるデバイスが作製されました。しかし、接着剤を一様に塗布したデバイスでは、流れが著しく遅くなりました。この手順を行う際は、接着剤を均一かつ一定に塗布することが重要です。

エアゾール接着剤は、必ず換気の良い場所で使用してください。このビデオを視聴することで、パターン化された接着剤を塗布し、平面および非平面の3Dペーパーマイクロ流体デバイスを構築する方法について十分に理解できるはずです。この手法により、研究者は、統合されたアクチュエーションやセンシングなど、従来の平面デバイスでは実現できなかった機能を、非平面構造を用いて探求することが可能になります。