Met behulp van Adhesive gestructureerd om Construct 3D Paper microfluïdische apparaten

Summary

We demonstreren het gebruik van patroon aerosol kleefstoffen 3D papier microfluïdische inrichtingen te construeren. Deze methode van lijm aanvraagformulieren semi-permanente banden tussen de lagen, waardoor eenmalig gebruik apparaten op non-destructief gedemonteerd na gebruik en te vouwen complexe nonplanar structuren te verlichten zijn.

Abstract

We demonstreren het gebruik van gepatternde aerosolkleefstoffen om zowel vlakke als niet-vlakke 3D papieren microfluïdische apparaten te construeren. Door een aerosolkleefstof door een metalen stencil te spuiten, kan de totale hoeveelheid kleefstof die wordt gebruikt bij het samenstellen van papieren microfluïdische apparaten aanzienlijk worden verminderd. We tonen op een eenvoudig 4-laags vlak papieren microfluïdisch apparaat aan dat de optimale kleefstoftoepassingstechniek en apparaatontwerpstijl sterk afhankelijk is van de gewenste prestatiekenmerken. Door de totale oppervlakte van een apparaat matig te vergroten, is het mogelijk om de wekingtijd aanzienlijk te verkorten en de succespercentages van het apparaat te verhogen, terwijl ook de hoeveelheid kleefstof die nodig is om het apparaat bij elkaar te houden, wordt verminderd. Een dergelijke kleefstoftoepassing zorgt er ook voor dat de kleefstof semi-permanente bindingen vormt in plaats van permanente bindingen tussen papierlagen, waardoor eenmalige apparaten na gebruik niet-destructief kunnen worden gedemonteerd. Ook niet-vlakke 3D origami-apparaten profiteren van de semi-permanente bindingen tijdens het vouwen, omdat het de kans verkleint dat ongerelateerde vlakken per ongeluk aan elkaar blijven plakken. Net als bij vlakke apparaten, zien niet-vlakke structuren verminderde wekingstijden met gepatternde kleefstoftoepassing in vergelijking met uniform toegepaste kleefstof.

Introduction

De laatste jaren is papier microfluïdische aanzienlijke populariteit vergaard om zijn potentieel goedkope bijzondere zorg (POC) diagnostica. ^1-3 POC apparaten bieden functionaliteit vergelijkbaar met die van lab-gebaseerde testen in een formaat waarmee resultaten worden relatief snel verkregen. POC-apparaten gemaakt van papier zijn low-cost, lichtgewicht en eenvoudig te gebruiken alternatieven voor dure microfluïdische chips en geminiaturiseerde laboratoria, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in beperkte middelen. De meest voorkomende papier microfluïdische inrichtingen eendimensionale zijstroom apparaten, maar planaire drie-dimensionale (3D) papier microfluidic devices houden beloven gemultiplexte diagnostica ⁴ dat hij een veel compacter is dan vereist zou zijn door een 2D inrichting ⁵ verschaffen en navenant gebruik maken van een kleinere steekproef volume.

Aanvankelijk werden planaire 3D papier microfluïdische inrichtingen afzonderlijk geassembleerd, laag voor laag with patroonpapier lagen afgewisseld met laser gesneden dubbelzijdige tape. Zorgvuldig uitgelijnde gaten in de tapelaag gesneden werden gevuld met cellulosepoeder tot tussenlaag vloeistoftransport waarborgen. ⁴ een aantal alternatieve werkwijzen werden vervolgens ontwikkeld, ^6-9 elk verbeteren verschillende aspecten van de apparaten. In het bijzonder door mijdend kleefstoffen, apparaten kan worden gevouwen via origami technieken met lagen bij elkaar gehouden door een externe klem. ⁸ Dit elimineert eventuele lijm inmenging in een diagnostische test en kan het apparaat uitgevouwen post-gebruik, wat het mogelijk maakt nog kleinere steekproef volumes door het weergeven van de resultaten intern. Als alternatief, met behulp van een spuitbus lijm aangebracht tussen elke laag papier, vellen apparaten kunnen tegelijkertijd worden gemonteerd, zonder tijdrovende patronen en afstemming van tape. ⁹

Echter, door toepassing van een aerosol hechtmiddel door een stencil, is het mogelijk om ten behoeve van krijgenbeide technieken. Door sproeien van de kleefstof door een sjabloon, wordt slechts een fractie van de lijm aangebracht op de inrichting, het minimaliseren van mogelijke storing tussenlaag fluïdumoverdracht. Bovendien, met een zorgvuldige selectie stencil, een patroon van lijm kan worden toegepast dat resulteert in een semi-permanente lijmen, waardoor apparaten worden uitgevouwen na gebruik, terwijl het toch voldoende tussenlaag contact om vloeistof lont tussen de lagen.

Tenslotte toepassing aerosol kleefstoffen door een sjabloon vergemakkelijkt de constructie van niet-vlakke 3D papier microfluïdische inrichtingen, door het minimaliseren van de hoeveelheid lijm aangebracht op aangrenzende vlakken dat veelvuldig vouwen en ontvouwen tijdens constructie nodig. ¹⁰ Bovendien kan het gebruik van patroon kleefmiddel stelt inrichting te ontvouwde na het gebruik voor meer handige opslag. Nonplanar 3D papier microfluïdische apparaten zullen naar verwachting worden gebruikt voor taken die anders onmogelijk zou zijn in een vlakke 3D Device. Figuur 1 toont de algemene processtroom gebruikt voor zowel vlakke en niet-vlakke 3D inrichtingen te construeren.

Protocol

1. Planar 4-laags Device (gestapelde lagen) Construction

1. Print arrays van elke laag van de inrichting ⁹ op elk stukje filtreerpapier onder toepassing van een vaste inkt printer. ^11,12 Plaats elk filtreerpapier op een verwarmingsplaat bij 170 ° C gedurende 2 minuten. Hierdoor wordt de inkt op wasbasis smelten en laat het volledig doordringen in de dikte van het papier, de vorming van hydrofobe barrières.
   NB: De exacte ontwerpen die worden gebruikt zijn beschikbaar als aanvullende bestanden.
2. Verwijder filter papier uit kookplaat en laat hem afkoelen tot kamertemperatuur.
3. Borg 4 ul van 5 mM kleurstof (rood: Allura Rood, geel: tartrazine; blauw: erioglaucine dinatriumzout; groen: 10: 1 mix van tartrazine: erioglaucine dinatriumzout) in elke tak (één kleur per tak) van laag 3 (derde laag van boven van het voltooide apparaat) met een micropipet.
4. Beginnen met de onderste laag. Klem de filter papier tussen de sjabloon en een stijve rug, zoals een stuk van spiegelglas, met behulp van bindmiddel clips of andere soortgelijke tijdelijke methode. Zorg ervoor dat het stencil plat tegen het papier. Dit zal alle spuiten schaduwen door het stencil op het papier te minimaliseren.
5. Breng de lijm (zie lijst van materialen en apparatuur) met een ongeveer 1,33 sec (een vier-telling bij 180 bpm) spuiten van ongeveer 24 cm. ^9,10 Gedurende deze tijd, zet de blik van de lijm over het stencil op een medium tempo. Te langzaam van reizen over het stencil zal lijm ophopen op het sjabloon zelf, verstopping veroorzaken. Een te snelle reizen zal falen om voldoende lijm op het papier te deponeren. Vier passes tijdens deze periode (up-down-up-down) voldoende zijn bij het voorkomen van nevel schaduwen.
6. Verwijder stencil en plaats de volgende laag van de inrichting (genummerde lagen zijn beschikbaar als aanvullende bestanden) boven de vers gespoten laag, het uitlijnen van de randen van het papier. Druk de twee lagen aan elkaar.
7. Vervang stencil en herhaal het spuitproces voor elke laag van de inrichting. Verwijder de stack van apparaten en plaats verpakking tape over de onderste laag. Dit voorkomt lekkage van het apparaat. Gesneden individuele apparaten van de plaat met een schaar, na de rand van het afgedrukte gebied.

2. Planar 4-laags Device (Origami gevouwen Layers) Construction

1. Print vellen met alle lagen van het apparaat op filterpapier met behulp van een solid ink printer. Plaats filtreerpapier op een verwarmingsplaat bij 170 ° C gedurende 2 minuten. Verwijder filter papier uit kookplaat en laat hem afkoelen tot kamertemperatuur.
   NB: De exacte ontwerpen die worden gebruikt zijn beschikbaar als aanvullende bestanden.
2. Borg 4 ul van 5 mM kleurstof (rood: Allura Rood, geel: tartrazine; blauw: erioglaucine dinatriumzout; groen: 10: 1 mix van tartrazine: erioglaucine dinatriumzout) in elke tak (één kleur per tak) van laag 3 (derde laag vanaf de bovenkant van de voltooide inrichting) via micropipet.
3. Klem het blad van apparaten tussen de sjabloon en een stijve rug, zoals een stuk van spiegelglasGebruik binderclips of andere soortgelijke tijdelijke methode. Zorg ervoor dat het stencil plat tegen het papier.
4. Breng de lijm (zie lijst van materialen en apparatuur) met een ongeveer 1,33 sec (een vier-telling bij 180 bpm) spuiten van ongeveer 24 cm. Vier passes tijdens deze periode (up-down-up-down) voldoende zijn bij het voorkomen van nevel schaduwen.
5. Verwijder stencil en draai het laken over. Vervang stencil en spray achterzijde van het papier. Verwijder het vel apparaten en beginnen te vouwen in een accordeon plooi, zoals weergegeven in figuur 1. Knip elk apparaat uit plaat met een schaar, na de rand van het afgedrukte gebied. Plaats de verpakking tape over de onderste laag.

3. nonplanar (Origami) Device Construction

1. Afdrukapparaat (figuur 2A) op filterpapier met een vaste inkt printer en plaats het filterpapier op een hete plaat bij 170 ° C gedurende 2 minuten. Apparaat verwijderen uit kookplaat en laat hem afkoelen tot kamertemperatuur.
   NOTITIE:De exacte ontwerpen die worden gebruikt zijn beschikbaar als aanvullende bestanden.
2. Print vouwpatroon (figuur 2C) op printer papier met een vaste inkt printer en gesneden om de grootte van het filterpapier. Plaats vouwpatroon op een verwarmingsplaat bij 170 ° C gedurende 2 minuten, om de was te smelten, waardoor het patroon toegankelijk vanaf beide zijden van het papier. Verwijder vouw patroon uit kookplaat en laat hem afkoelen tot kamertemperatuur.
3. Lijn de randen van de vouw patroon aan de randen van het papier met het kanaal patronen en bevestig de twee stukken papier met bindmiddel clips, of een andere vergelijkbare tijdelijke methode.
4. Trace de vouw patroon met een stomp voorwerp, het aanbrengen van voldoende kracht die markeringen verschijnen op het apparaat blad, maar niet zo hard dat de plooi patroon papier scheurt. Als dit gebeurt, dreigt het apparaat beschadigd. Precreasing veroorzaakt het papier te vouwen veel gemakkelijker en zorgt voor een grotere nauwkeurigheid en precisie bij opvouwing.
5. Begin met het vouwen van het apparaat met berg en dalplooien volgens de vouwpatroon. Zodra het kleefmiddel is aangebracht, moet de gehele inrichting snel worden gemonteerd, zodat het vouwen van de inrichting zo veel mogelijk voor het aanbrengen van kleefstof is zeer behulpzaam.
6. Zodra het apparaat is ingeklapt, vouw het apparaat om de delen van het apparaat dat lijm nodig bloot te leggen. Knip maskers (figuur 2D) die beperken wanneer op het apparaat lijm kan worden aangebracht, met behulp van een scheermesje.
7. Klem het apparaat tussen de sjabloon en masker en een stijve rug, zoals een stuk van spiegelglas. Zorg ervoor dat de sjabloon is plat tegen het apparaat. Breng de lijm (zie lijst materialen en apparatuur) met een ongeveer 1,33 sec (een vier-telling bij 180 bpm) spuiten van ongeveer 24 cm. Vier passes tijdens deze periode (up-down-up-down) voldoende zijn bij het voorkomen van nevel schaduwen. Verwijder stencil en draai het laken over. Vervang stencil en masker en spuit de achterzijde van het papier.
8. Verwijder onmiddellijk het apparaat uit stencil en beginnen met het vouwen van deapparaat. Zodra de inrichting volledig is gevouwen, druk uitoefenen op de lijm bevattende gedeelte totdat de lijm gedroogd is.
   OPMERKING: De droogtijd van de lijm is zeer gevoelig voor luchtvochtigheid, dus plaatsen met lage luchtvochtigheid, vouwen in een vochtigheid geregelde kamer aan meer tijd om het apparaat te vouwen.

4. Wicking test voor 4-laags Devices

1. selecteert willekeurig 20 inrichtingen, vooraf samengestelde volgens de bovenstaande protocollen. Plaats apparaten in een locatie afgeschermd tegen eventuele wind of wind om verdamping te minimaliseren. Borg 40 ui water aan de inlaat van elk apparaat. Noteer de tijd die nodig is voor elk apparaat op elk van zijn uitgangen geheel gevuld met kleurstof.

5. Origami Wicking Vergelijking

1. Construct twee origami pauwen - on volgens de bovengenoemde protocol (paragraaf 3), en de andere zonder gebruik van een sjabloon tijdens aanbrengen van lijm.
2. Steek het ene uiteinde van een kleine paper lead (ongeveer 5 mm breed en 5 cm lang) in het lichaam van elke pauw.
3. Plaats beide pauwen in een kamer gehouden bij een hoge relatieve vochtigheid (> 90%) om verdamping te minimaliseren. Plaats elk been en lead van elk pauw in een container gevuld met 5 mM kleurstof (rood: Allura Rood, geel: tartrazine, blauw: erioglaucine dinatriumzout). Neem wicking proces met een digitale camera.

Results

De 4-laaginrichting werden uitgevoerd in een afgesloten kamer, hen te behoeden geen wind of wind die overmatige verdamping van het gedeponeerde beperkt vloeistofvolume kan leiden. De meerderheid van de wicking in de 4-laags apparaten in de middelste lagen van de inrichting, zodat verschillen in snelheden wicking door verdamping werd verwacht minimaal. Daarnaast is er een minimaal lateraal wicking, slechts 13 mm tussen de inlaat en uitlaat een individu, wat suggereert dat variaties op wic...

Discussion

De bovenstaande protocollen gebruiken geperforeerde metalen platen als stencils voor het aanbrengen van aerosol kleefstoffen vlakke en niet-vlakke 3D papier microfluïdische apparaten te bouwen. In planaire inrichtingen, heeft dit het voordeel dat apparaten volledig uitgevouwen nadat de kleefstof is gedroogd zonder dat het toestel vernietigen. In andere lijm op basis bouwtechnieken, dit bijna onvermijdelijk, hoewel sommige ontwerpen voor de gedeeltelijke destructief demontage van unpeeling twee helften bij elkaar gehoude...

Materials

List of materials used in this article

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