Met behulp van Adhesive gestructureerd om Construct 3D Paper microfluïdische apparaten
April 1st, 2016
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.
Het algemene doel van deze techniek is om vlakke en niet-vlakke driedimensionale papieren microfluïdische apparaten te creëren die tijdens de constructie en na gebruik kunnen worden ontvouwd door het patroon van aerosolkleefstof. Deze methode opent een geheel nieuw ontwerpgebied voor papiermicrofluïdica, door beperkingen te verwijderen die onderzoekers eerder weerhielden om uit vlakke kanaalnetwerken te fabriceren. De belangrijkste voordelen van deze techniek zijn dat het de hoeveelheid kleefstof die tijdens de fabricage van papieren microfluïdische apparaten wordt aangebracht, aanzienlijk vermindert, en dat het de constructie van niet-vlakke driedimensionale papieren microfluïdische circuits mogelijk maakt.
Print eerst een reeks van elke laag voor het apparaat op filterpapier met behulp van een solide inktprinter. Plaats elk filterpapier gedurende twee minuten op een hotplate op 170 graden Celsius om de wasgebaseerde inkt te smelten en laat deze volledig in het papier doordringen, waardoor hydrofobe barrières worden gevormd. Zodra het papier is afgekoeld, brengt u met een micropipet een andere kleur kleurstof aan in elk van de takken van laag drie.
Vier microliter aliquoten van vijf millimolar kleurstoffen zijn voldoende. Begin nu met de constructie. Klem de onderste laag eerst tussen de stencil en een stijf onderleg, zoals een stuk plaatglas.
Zorg ervoor dat de stencil vlak tegen het papier ligt om schaduweffecten door spuiten te minimaliseren. Zet vervolgens een metronoom op 180 slagen per minuut en spuit lijm vanaf ongeveer 24 centimeter afstand gedurende vier slagen. Beweeg de spuitbus in vier gelijkmatige bewegingen over de stencil.
Als de spuitbus te langzaam wordt bewogen, zal de lijm zich op de stencil zelf ophopen en de stencil verstoppen. Als de spuitbus te snel wordt bewogen, wordt er niet genoeg lijm aangebracht. Verwijder vervolgens de stencil en plaats de volgende laag van het apparaat over de vers gespoten laag, waarbij u ze voorzichtig langs de randen uitlijnt.
Druk de lagen stevig op elkaar. Spuit vervolgens de lijm opnieuw. Herhaal dit proces totdat alle lagen stevig aan elkaar zijn bevestigd.
Plak op de vierlaagse stapel een strook pakband over de onderste laag om vloeistoflek te voorkomen. Vervolgens kunnen individuele apparaten uit de stapel worden gesneden volgens het gedrukte patroon. Bedruk ook het apparaat op filterpapier met behulp van een solide inktprinter en smelt de inkt op een hotplate gedurende twee minuten op 170 graden Celsius.
Voor deze procedure drukt u het vouwpatroon op dezelfde manier af, maar op normaal printerpapier. Zodra de afdrukken zijn afgekoeld, lijnt u de lijnen van het vouwpatroon uit met de randen van de kanaalpatroon. Bevestig ze vervolgens met tape.
Volg vervolgens het vouwpatroon met een stompe stylus. Oefen voldoende kracht uit om het apparaatblad te markeren, maar scheur het papier niet. Als er een scheur optreedt, begint u opnieuw.
Deze vooraf gevouwen techniek verhoogt de nauwkeurigheid en precisie van het vouwen. Begin nu met het vouwen van het apparaat met behulp van berg- en dalvouw volgens het vouwpatroon. Vooraf vouwen voor het aanbrengen van de lijm helpt het apparaat sneller te assembleren.
Na het vouwen, vouwt u het uit om de delen te onthullen die lijm vereisen. Snijd vervolgens met een mes maskers uit om te beperken waar de lijm wordt aangebracht. Klem het apparaat vervolgens plat tussen de stencil met het masker en een stijf onderleg.
Gebruik een metronoom om 1,3 seconden te meten en breng de lijm aan zoals eerder. Als de omgevingsvochtigheid laag is, brengt u de lijm aan in een gebied met gecontroleerde luchtvochtigheid, zodat de lijm niet te snel droogt. Verwijder vervolgens de stencil en het masker en draai het vel om.
Spuiten vervolgens de achterkant van het papier op dezelfde manier. Verwijder onmiddellijk het apparaat van de stencil en begin met het vouwen van het apparaat. Zodra het apparaat volledig is gevouwen, oefen u continue druk uit op het gedeelte met lijm totdat het is gedroogd.
Om een wekingstest uit te voeren op de vierlaagse apparaten, selecteert u willekeurig 20 apparaten. Plaats de apparaten zo dat ze worden beschermd tegen luchtstromen om verdamping te minimaliseren. Deponeer vervolgens 40 microliter water bij de ingang van elk apparaat.
Noteer de tijd die het kost voordat alle uitlaten van elk apparaat volledig zijn gevuld met kleurstof. Vergelijk voor de origami-apparaten twee origami-pauwen, een gemaakt zoals eerder beschreven, en de andere gemaakt zonder gebruik van de stencil bij het aanbrengen van de lijm. Plaats vervolgens een uiteinde van een kleine papieren lood in het lichaam van de pauw.
Bij een gecontroleerde relatieve luchtvochtigheid, boven de 90% plaatst u elk been en de papieren lood van elke pauw in een container gevuld met vijf millimolar kleurstof. Gemiddelde wekingstijden en succespercentages voor vierlaagse apparaten geconstrueerd met verschillende hoeveelheden aangebrachte lijm werden vergeleken. Uniforme kleefbedekking resulteerde in relatief hoge succespercentages die afnamen met toenemende hoeveelheden lijm.
Succespercentages waren ook veel hoger met snellere wekingstijden wanneer de gepatroneerde lijm op beide zijden werd aangebracht, dan op slechts één zijde. Mislukkingen traden vaker op wanneer lijm slechts op één zijde werd aangebracht. Typische mislukking van gestapelde apparaten werd gekenmerkt door uitlaten die niet volledig met kleurstof werden gevuld of die langer dan vijf minuten nodig hadden om te vullen.
Bij gevouwen origami-apparaten werd apparaatmislukking gekenmerkt door uitlaten die niet met enige hoeveelheid kleurstof werden gevuld. Deze uitlaten bevonden zich uitsluitend langs de twee randen van het apparaat die de vouwen bevatten. Door de grootte van de rand rond de kanalen te verdubbelen, stegen de succespercentages voor zowel enkele als dubbelzijdige kleefstoftoepassingen.</
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie toont een nieuwe techniek voor het construeren van driedimensionale papieren microfluïdische apparaten met behulp van gepatterede aerosolkleefstoffen. Deze methode maakt het mogelijk om zowel vlakke als niet-vlakke structuren te maken, wat een niet-destructieve demontage na gebruik mogelijk maakt.
Belangrijke onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Materiaalwetenschap
- Biomedische techniek
Achtergrond
- Traditionele methoden voor het fabriceren van papieren microfluïdica worden beperkt door kleestofftoepassing.
- Niet-vlakke structuren zijn met bestaande technieken moeilijk te maken.
- Gepatterrede aerosolkleefstoffen kunnen het gebruik van kleefstoffen aanzienlijk verminderen.
- Deze aanpak opent nieuwe ontwerpmogelijkheden voor onderzoekers.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het maken van 3D papieren microfluïdische apparaten.
- Om het ontvouwen van apparaten tijdens de constructie en na gebruik mogelijk te maken.
- Om de ontwerpflexibiliteit van papieren microfluïdica te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Print lagen van het apparaat op filterpapier met behulp van een solide inktprinter.
- Verhit het bedrukte papier op een hotplate om de wasgebaseerde inkt te smelten.
- Laat de inkt het papier binnendringen om hydrofobe barrières te vormen.
- Breng verschillende kleurstoffen in de takken van het apparaat aan met behulp van een micropipet.
Belangrijkste resultaten
- De techniek maakt de constructie van niet-vlakke 3D-circuits mogelijk.
- Er werd een significante vermindering van kleestofftoepassing bereikt.
- Apparaten kunnen na gebruik gemakkelijk worden gedemonteerd zonder vernietiging.
- Nieuwe ontwerpruimte voor papieren microfluïdica werd gevestigd.
Conclusies
- Gepatterrede aerosolkleefstoffen bieden een veelzijdige methode voor 3D microfluïdica.
- Deze techniek verbetert de functionaliteit en bruikbaarheid van papieren apparaten.
- Toekomstig onderzoek kan verdere toepassingen van deze methode verkennen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Patterned aerosol adhesive application enables the construction of 3D paper microfluidic devices with reduced material usage and non-destructive disassembly, supporting rapid prototyping in early-stage assay development. This approach addresses scalability and reproducibility challenges in paper-based diagnostic platforms by allowing precise control over fluidic pathways and device integrity. The technique facilitates iterative design testing without permanent bonding, lowering material waste and accelerating preclinical evaluation of microfluidic concepts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional testing of hydrophilic channel networks for reagent transport and mixing in paper-based biosensors.
- Operational Value: Reduces adhesive consumption during prototyping, lowering material costs for high-volume design iterations.
- Predictive Value: Supports assessment of wicking dynamics and fluid routing efficiency critical for lateral flow assay performance.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Allows creation of multi-layered paper devices with defined fluidic paths for parallel sample processing.
- Operational Value: Facilitates alignment and stacking of printed layers through semi-permanent bonds, improving assembly reproducibility.
- Scalability: Patterned adhesive application reduces clogging risks and enables uniform coating across large device arrays.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports evaluation of dye-based readouts in origami-folded devices for point-of-care detection scenarios.
- Operational Value: Enables non-destructive disassembly after use, allowing component recovery and failure analysis.
- Translational Continuity: Demonstrates how adhesive patterning improves device success rates by minimizing unintended bonding in complex folds.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the early discovery to assay optimization continuum, where rapid prototyping of fluidic architectures informs downstream diagnostic design decisions.
- Discovery Biology: Tests hydrophilic channel designs for biomarker capture and reagent interaction without permanent device fixation.
- Screening: Enables standardized fluid delivery across multiple outlets via controlled wicking times and success rate metrics.
- Analytics: Provides quantitative dye-based readouts to assess fluid penetration and mixing avoidance in branched networks.
- Translational Research: Demonstrates how increased border width around channels improves success rates for both single and double-sided adhesive applications.
- Enterprise Reuse: Positions patterned adhesive application as a reusable platform technique adaptable across various paper microfluidic designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enables precise fluid routing and minimizes cross-talk between adjacent channels in paper-based systems.
- Operational Value: Reduces adhesive waste and prevents stencil clogging through controlled spray timing and motion.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions on device geometry by correlating adhesive patterning with wicking speed and outlet filling reliability.
- Portfolio Impact: Accelerates design validation cycles by allowing non-destructive disassembly and reuse of components for failure analysis.
Implementation Considerations
- Requires expertise in wax-based ink printing and thermal patterning to form hydrophobic barriers.
- Needs metronome-controlled aerosol spraying equipment for consistent adhesive deposition.
- Demands alignment precision during layer stacking and origami folding to maintain channel integrity.
- Requires environmental humidity control to prevent premature adhesive drying during application.
- Limited by paper substrate porosity, which influences wicking times and dye-based detection sensitivity.
